Siemens, Gasturbinenschaufel, 3D-Druck

Siemens testete erstmals vollständig mit Additive Manufacturing (AM) gefertigte Gasturbinenschaufeln nach konventionellem sowie neuem Design unter Volllast in einer Gasturbine. Bild: Siemens

Siemens überprüfte mehrere mit Additive Manufacturing (AM) hergestellte Turbinenschaufeln mit konventionellem Schaufeldesign. Die Bauteile wurden dabei 13.000 Umdrehungen in der Minute und Temperaturen von über 1.250 Grad Celsius ausgesetzt. Zusätzlich testete Siemens ein mit AM-Technologie gefertigtes neues Schaufeldesign mit einer komplett überarbeiteten und verbesserten internen Kühlungsgeometrie.

Die verwendeten Schaufeln wurden bei Materials Solutions, dem erst kürzlich erworbenen Unternehmen in Worcester, Großbritannien, gefertigt. Materials Solutions ist spezialisiert auf die Fertigung von hochleistungsfähigen Bauteilen für Hochtemperaturanwendungen bei Turbomaschinen bei denen Genauigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und höchste Materialqualität für die Leistungsfähigkeit der Komponenten entscheidend ist. Die Untersuchungen wurden im Siemens-Testcenter für industrielle Gasturbinen in Lincoln, Großbritannien, durchgeführt.

„Dies ist ein bahnbrechender Erfolg für den Einsatz von Additive Manufacturing im Bereich der Stromerzeugung, einem der anspruchsvollsten Anwendungsfelder für diese Technologie“, sagte Willi Meixner, CEO der Siemens Power and Gas Division.

Die Entwicklungszeit betrug nur 18 Monate

„Additive Manufacturing ist eine wichtige Säule in unserer Digitalisierungsstrategie. Die erfolgreichen Tests sind das Ergebnis eines engagierten internationalen Projektteams, bestehend aus Siemens-Ingenieuren aus Finspang, Lincoln, und Berlin sowie den Experten von Materials Solutions. Zusammen entwickelten sie in nur 18 Monaten die komplette Prozesskette vom Komponentendesign und der Materialentwicklung für AM bis hin zu neuen Methoden der Qualitätskontrolle sowie der Simulation der Lebensdauer von Komponenten. Mit unserem gemeinsamen Know-how im 3D-Druck werden wir weiterhin die technologische Entwicklung und Anwendung in diesem Feld vorantreiben“, so Meixner.

3D-Druck, Siemens, Gasturbinenschaufel
Die Schaufeln waren 13.000 Umdrehungen in der Minute und Temperaturen von über 1.250 Grad Celsius ausgesetzt. Bild: Siemens

Härtetest: Extreme Bedingungen im Innern der Turbine

Die Turbinenschaufeln wurden in einer industriellen Gasturbine des Typs SGT-400 mit einer Leistung von 13 Megawatt (MW) installiert. Die gedruckten Turbinenschaufeln werden aus einer pulverförmigen, hochtemperaturbeständigen Superlegierung mit polykristallinem Nickel hergestellt.

Die Schaufeln widerstehen so dem hohen Druck sowie den enormen Temperaturen und Fliehkräften, die beim Turbinenbetrieb entstehen. Bei Volllast dreht sich jede der Schaufeln mit einer Geschwindigkeit von über 1.600 km/h und trägt dabei die Last von 11 Tonnen, was dem Gewicht eines vollbeladenen Londoner Doppeldeckerbusses entspricht. Außerdem sind die Schaufeln von 1.250 Grad Celsius heißem Gas umgeben und werden mit über 400 Grad Celsius heißer Luft „gekühlt“.

Das in Lincoln getestete neue Schaufeldesign bietet verbesserte Kühleigenschaften. Damit kann die Effizienz der Siemens-Gasturbinen weiter gesteigert werden.

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Der Faserlaser gestaltet die Turbinenschaufeln anhand eines CAD-Modells. Schicht für Schicht entsteht so die Turbinenschaufel. Bild: Siemens

3D-Druck bietet Vorteile beim Prototypenbau

Beim Additive Manufacturing werden Teile Lage für Lage aus einem schichtförmig aufgebauten CAD-Modell erstellt. Die AM-Technologie, die auch als 3D-Druck bekannt ist, bietet vor allem Vorteile bei der schnellen Fertigung von Prototypen, dem Rapid Prototyping. „Die spannende AM-Technologie verändert die Art und Weise wie wir produzieren. Wir können damit Prototypen bis zu 90 Prozent schneller entwickeln“, sagte Meixner.

„Siemens ist Vorreiter im Bereich Additive Manufacturing. Wir beschleunigen die Entwicklung neuer Gasturbinen mit höherem Wirkungsgrad und gesteigerter Verfügbarkeit und können unseren Kunden diese Verbesserungen damit schneller liefern. Die neue Flexibilität in der Fertigung erlaubt es uns, näher an den Anforderungen der Kunden zu entwickeln und wir können einzelne Ersatzteile bei Bedarf (on demand) liefern.“

Siemens kann mit seinem umfassenden Wissen in den wesentlichen Bereichen wie der Werkstoffkunde, der Automatisierung, dem Fertigungsprozess und der Verfahrenstechnik die Zukunft im 3D-Druck gestalten. Der erfolgreiche Test des fortschrittlichen Schaufeldesigns ist ein weiterer Schritt auf dem Weg, um das volle Potenzial von AM auszuschöpfen.

Siemens entwickelt neuartige, nur mit Hilfe von AM realisierbare Gasturbinendesigns und baut gleichzeitig die Serienfertigung von gedruckten Turbinenteilen weiter aus. Mit einer Erfahrung von über 100 Jahren im Energiebereich entwickelt Siemens mit den neuen Designmöglichkeiten spezifische Lösungen für seine Kunden.

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Die erfolgreichen Tests sind das Ergebnis eines engagierten internationalen Projektteams, bestehend aus Siemens-Ingenieuren aus Finspang, Lincoln und Berlin sowie den Experten von Material Solutions. Bild: Siemens

AM bei Siemens bereits länger im Einsatz

Siemens verwendet die AM-Technologie in erheblichem Umfang zur schnellen Erstellung von Prototypen und hat bereits serienreife Lösungen für Komponenten im Verdichter- und Verbrennungssystem von Gasturbinen eingeführt. Im Februar letzten Jahres eröffnete Siemens eine neue Fertigung für 3D-Druck-Komponenten in Finspang, Schweden. Seit Juli 2016 ist die erste mit 3D-Druck hergestellte Komponente für eine große Siemens-Gasturbine erfolgreich im kommerziellen Betrieb.

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