Smarte Bauteile Additives Fertigungs-Duo erleichtert Sensorintegration

Autor / Redakteur: E. Uhlmann, J. Polte und T. Neuwald, R. Kersting und Chr. Brunner-Schwer / Peter Königsreuther

Forscher am Fraunhofer IPK in Berlin haben zwei Verfahren der Additiven Fertigung dazu genutzt, um Sensoren wirkstellennah und echtzeitfähig in eine Turbinenschaufel zu integrieren.

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Bild 1: Blick auf den Turbinenschaufeldemonstrator, durch den zwei unterschiedliche additive Fertigungsverfahren beweisen, dass man solche Bauteile noch einfacher und wirksamer mit Sensoren funktionalisieren kann. Hier sieht man das Laserauftragschweißen.
Bild 1: Blick auf den Turbinenschaufeldemonstrator, durch den zwei unterschiedliche additive Fertigungsverfahren beweisen, dass man solche Bauteile noch einfacher und wirksamer mit Sensoren funktionalisieren kann. Hier sieht man das Laserauftragschweißen.
(Bild: Fraunhofer IPK)

Die Echtzeitüberwachung von Komponenten und Maschinen verbessert die Planung und Durchführung von Wartungsarbeiten. Im Energiesektor spielt die Überwachung kritischer Komponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, in Bezug auf Korrosion, Kavitation oder Temperaturunregelmäßigkeiten eine wichtige Rolle für die Betriebssicherheit [1]. Wegen der anspruchsvollen Druck- und Temperaturbedingungen in der Brennkammer ist die Erhebung kritischer Prozessdaten eine echte Herausforderung [2]. Die Integration von Sensoren an den relevanten Prozesspunkten ist oft nicht möglich oder nur mit einem sehr hohen technischen Aufwand. Mit dem Hybridkonzept, einer Kombination zweier additiver Fertigungsverfahren, können nun aber sich selbst überwachende Komponenten mit integrierten Thermoelementen entstehen. Das sogenannte Cyberphysische System (CPS) sorgt für die Datenerhebung direkt im Inneren einer Komponente anstelle einer Überwachung der Umgebung. Das garantiert, dass das Gesamtsystem sicher evaluiert werden kann [3].

Vorgehen, hybride Herstellung und Sensorintegration

Die Methodik und Einbettungsstrategie, die bereits erforscht wurden [4], werden dabei anhand einer Turbinenschaufel näher erläutert. Die Komponente mit einer Höhe von h = 30 cm besitzt typische Eigenschaften einer praxistauglichen, stationären Gasturbinenschaufel, wie etwa innen liegende Kühlkanäle und eine komplexe Freiformflächen-Geometrie. Es hat sich gezeigt, dass man durch konstruktive Anpassung, kombiniert mit der Gestaltungsfreiheit der Additiven Fertigung, die Funktionalität einer Komponente erweitern kann.

Zunächst wurde die Turbinenschaufel im Verfahren Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) inklusive Kanäle und Öffnungen für den zu integrierenden Hochtemperatursensor gedruckt. Nach Einsetzen des Sensors wurden die Öffnungen mithilfe des additiven Prozesses Laser-Directed Energy Deposition (L-DED) geschlossen. Die Kanäle und Öffnungen sind dabei so konstruiert, dass der Wärmeeintrag des Lasers nicht die elektronischen Bauteile beschädigt. Anschließend wurde die Turbinenschaufel noch auf übliche Weise zerspanend nachbearbeitet. Die Datenerhebungsfunktion ist in eine PLM Software integriert, wodurch ein digitaler Zwilling generiert werden kann.

Solide Sensorintegration in speziellem Kanal

Im ersten Arbeitsschritt wurde der Messpunkt an der Turbinenschaufelspitze definiert, weil während des Betriebs dort der kritischste Komponententeil liegt. Als Nächstes wurde die für ein Thermoelement des Typs K passende Kanalgeometrie konstruiert. Dabei sind der Kanal sowie die Öffnungen so ausgelegt, dass der Sensor solide integriert werden kann. Das gewählte Thermoelement, das einer Betriebstemperatur von ϑB ≤ 1200 °C widersteht, würde aber durch die Prozesstemperatur von ϑP ≥ 2200 °C des L-DED-Verfahrens beschädigt. Um also den Wärmeeintrag in den Sensor zu verringern, ist die Schaufel, siehe Bild 2, mit einem speziellen Kanal mit Freistich versehen.

Danach wurde die Turbinenschaufel aus dem Werkstoff 1.4404 im L-PBF-Verfahren auf einer Anlage des Typs SLM 250 HL der SLM Solutions Group AG in einer Prozesszeit von tP = 38 h hergestellt.

Bild 2: Blick auf die additiv gefertigte Turbinenschaufel. Daneben das Prinzip der Einbettungsstrategie, um den Sensor zu integrieren.
Bild 2: Blick auf die additiv gefertigte Turbinenschaufel. Daneben das Prinzip der Einbettungsstrategie, um den Sensor zu integrieren.
(Bild: Fraunhofer IPK)

Die so gefertigte Turbinenschaufel wurde dann von ihren Stützstrukturen befreit, gereinigt sowie wärmebehandelt. Dann konnte das Thermoelement manuell eingesetzt werden. Um den Kanal mit dem Material 1.4404 zu verschließen, wurde ein Yb:YAG-Festkörperlaser vom Typ Trudisk 2.0 kW der Trumpf GmbH & Co. KG nebst koaxialer Ringspaltdüse verwendet. Obwohl das Thermoelement teilweise abgeschirmt ist, muss gewährleistet sein, dass der Wärmeeintrag dabei ordungsgemäß geregelt werden kann. Nur so können Schäden am Sensor sicher vermieden werden. Wichtig dabei ist es, den thermischen Verzug an den dünnen Wänden der Turbinenschaufel (2 mm ≤ tw ≤ 4 mm) zu verhindern. Die Nut wurde dabei im Niedertemperatur-Reparatur-Modus der L-DED-Anlage mit über 20 Schweißraupen gefüllt [5]. Die Laserleistung beträgt P = 800 W. Die Anlage arbeitet mit einer Vorschubgeschwindigkeit von vf = 600 mm/min. Die Prozesszeit kommt damit auf tP ≤ 10 min. Bild 2 zeigt auch den Prozessaufbau der Sensoreinbettung.

Es folgt der Nachbearbeitungsprozess

Aufgrund der geforderten Toleranzen und Oberflächengüte wurde beim L-DED-Verfahren mit einem Übermaß von dtw = 1 mm gearbeitet. Die finale Nachbearbeitung erfolgte auf einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum der Röders GmbH vom Typ RXP-600DSH. Der zweistufige Fräsvorgang der Freiformfläche gelang in einer Prozesszeit von tP ≤ 5 min. Die Positionierung in der Fräsmaschine stellt dabei eine besonders große Herausforderung dar. Deshalb wurden dafür passende Positionierungshilfen während der Konstruktion integriert. Nach einer weiteren Oberflächenbearbeitung wurde die Bauteiloberfläche durch Gleitschleifen homogen geglättet [6].

Auch der Digitale Zwilling spielt mit

Der Turbinenschaufeldemonstrator ist für die Datenerfassung mit einem Pi Single Board Computer von Raspberry über einen entsprechenden Anschluss in der Halterung verbunden (Bild 3). Die Messwerte werden drahtlos an einen Edge-Computer gesendet, der einen Digitalen Zwilling der Schaufel in der Cloudplattform Elements for IoT von der Contact Software GmbH speist [7]. Mit diesem Aufbau können Messdaten an kritischen Prozesspunkten einer im Einsatz befindlichen Gasturbine in Echtzeit überwacht, verarbeitet und ortsunabhängig ausgelesen werden. Auch kann der gesamte Betriebsverlauf einer Komponente, deren Wartungshistorie sowie ihre Herstellungsbedingungen analysiert werden.

Bild 3: Schließen eines Sensorkanals über den additiven Prozess L-DED mit insgesamt 20 Schweißraupen.
Bild 3: Schließen eines Sensorkanals über den additiven Prozess L-DED mit insgesamt 20 Schweißraupen.
(Bild: Fraunhofer IPK)

Ergebnisse, Fazit und Ausblick

Um den so integrierten Temperatursensor zu überprüfen, wird die Turbinenschaufel manuell per Bunsenbrenner erwärmt (Bild 4). Durch den geringen Abstand des Sensors zur Oberfläche stellt sich nach einer Latenzzeit von tL ≤ 2 s eine recht signifikante Temperaturdifferenz Δϑ ein. Um die Erhebung von Messdaten bei maximaler Betriebstemperatur ϑMax des eingesetzten 1.4404 Edelstahls zu überprüfen, wurde die Turbinenschaufel dann in einem Industrieofen über einen Zeitraum von t = 60 min auf eine Temperatur von ϑ = 550 °C erwärmt. So konnte gezeigt werden, dass der Demonstrator eine zuversichtliche Überwachung der Messdaten selbst unter Extrembedingungen ermöglicht.

Die hier behandelte Arbeit zeigt, dass durch die Kombination zweier additiver Fertigungsverfahren eine neue Klasse an funktionalen Komponenten entstehen kann.

Bild 4: Hier wird eine Turbinenschaufel mit einem Bunsenbrenner erwärmt, um sicher zu gehen, dass der integrierte Sensor die Belastung im Einsatz schadlos überstehen kann.
Bild 4: Hier wird eine Turbinenschaufel mit einem Bunsenbrenner erwärmt, um sicher zu gehen, dass der integrierte Sensor die Belastung im Einsatz schadlos überstehen kann.
(Bild: Fraunhofer IPK)

Das Konzept birgt ein großes Potenzial für die Überwachung von Komponenten, deren intelligente Wartung sowie ihre Anwendung hinsichtlich IoT. Die Methodik, optimierte Geometrien für Kanäle in einem Bauteil zu integrieren, Sensoren in Komponenten einzubetten sowie dann im L-DED-Verfahren die benötigten Öffnungen wieder zu verschließen, eröffnet ganz neue Anwendungsfelder. In puncto Bauteilkomplexität sind fast keine Grenzen gesetzt. Mögliche weitere Anwendungsbereiche sind die Temperatur- und Drucküberwachung in Press- und Druckguss-Werkzeugen sowie Schwingungssensoren für Pumpen. Die Überwachung von Schiffspropellern mit integrierten Verschleißsensoren könnte im Übrigen auch ein Anwendungsfeld sein, denn Stillstandszeiten und Effizienzverluste haben auch hier gravierende ökonomische und ökologische Auswirkungen [8]. MM

Literatur

[1] Tahan, M.; Tsoutsanis, E.; Muhammad, M.; Karim, Z. A.: Applied Energy 198. S. 122 – 144. 2017.

[2] Mevissen, F.; Meo, M.: Sensors 19. S. 711. 2019.

[3] Hossain, S. M.; Gonzalez, J. A.; Hernandez, R. M.; Shuvo, A., A., I.; Mireles, J.; Choudhur, A.; Lin, Y.; Wicker, R. B.: Additve Manufacturing 10. S. 58 – 66. 2016.

[4] Petrat, T.; Kersting, R.; Graf, B.; Rethmeier, M.: Procedia CIRP 74. S. 168 – 171. 2018.

[5] Petrat, T.; Graf, B.; Gumenyuk, A.; Rethmeier, M.: Physics Procedia 83. S. 761 – 768. 2016.

[6] Uhlmann, E.; Eulitz, A.; Seiffert, K.; Kersting, R.; Schenk, S.: wt Werkstattstechnik online 109/6. S. 400 – 404. 2019.

[7] Göckel, N.; Müller, P.: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 115. S. 7 – 10. 2020.

[8] Koboević, Ž.; Bebić, D.; Kurtela, Ž.: Ships and Offshore Structures 14. S. 95 – 103. 2019.

* Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann: Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK); Dr.-Ing. Julian Polte: Abteilungsleiter der Abteilungen Fertigungstechnologien und Produktionsmaschinen und Anlagenmanagement; Tobias Neuwald M. Sc.: Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Fertigungstechnologien;

* Dipl.-Ing. Robert Kersting: Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Fertigungstechnologien; Christian Brunner-Schwer M. Sc.: Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Füge- und Beschichtungstechnik

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