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Additive Fertigung Gasturbinenschaufeln aus dem 3D-Drucker

| Redakteur: Beate Christmann

Ingenieure des Technologiekonzerns Siemens wollen die Herstellung von Gasturbinen effizienter gestalten. Nach eigenen Angaben ist es ihnen gelungen, eine vollständig additiv gefertigte Gasturbinenschaufel bei voller Leistung in einer Gasturbine zu testen.

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Extreme Bedingungen für die Gasturbinenschaufeln aus dem 3D-Drucker: Sie waren 13.000  min−1 und Temperaturen von über 1250 °C ausgesetzt.
Extreme Bedingungen für die Gasturbinenschaufeln aus dem 3D-Drucker: Sie waren 13.000  min−1 und Temperaturen von über 1250 °C ausgesetzt.
(Bild: Siemens AG)

Gasturbinenschaufeln müssen in der Lage sein, extremen Bedingungen standzuhalten – entsprechend anspruchsvoll ist ihre Fertigung. Wie der Technologiekonzern Siemens im firmeneigenen Forschungsmagazin „Pictures of the Future“ berichtet, ist es dem Unternehmen gelungen, eine komplett im 3D-Druck aufgebaute Schaufel unter realen Einsatzbedingungen in einer Gasturbine erfolgreich zu testen.

Enorme Temperaturen und Fliehkräfte

Demnach konnten die additiv gefertigten Gasturbinenschaufeln dem hohen Druck sowie den enormen Temperaturen und Fliehkräften, die beim Turbinenbetrieb entstehen, widerstehen: Bei voller Leistung dreht sich eine Schaufel mit einer Geschwindigkeit von 1600 km/h, also doppelt so schnell wie eine Boeing 737 fliegen kann. Außerdem trägt sie eine Last von 11 t, was ungefähr dem Gewicht eines voll beladenen Londoner Doppeldeckerbusses entspricht. Zudem müssen die Schaufeln große Hitze aushalten, denn bei vollem Turbinenbetrieb sind sie von 1250 °C heißem Gas umgeben.

Bislang werden Schaufeln für Gasturbinen entweder durch Gießen oder durch Schmieden hergestellt. Bei der gusstechnischen Fertigung einer Turbinenschaufel ist ein aufwendiger Formenbau notwendig, bevor man die Schaufeln einzeln abgießt. Dieses Verfahren ist zeitintensiv und teuer.

Fertigungszeit von Prototypen verringern

Anders bei der Additiven Fertigung (Additive Manufacturing, AM): Hier trifft ein Laserstrahl auf feine Schichten von Metallpulver, wodurch es sich erhitzt und schmilzt. Entfernt sich der Laser wieder, kühlt das Metall ab. Dieser Vorgang wiederholt sich Schicht für Schicht, bis das Schaufelmodell aus dem 3D-Drucker fertig ist. Die gedruckten Turbinenschaufeln nun werden aus einer pulverförmigen, hochtemperaturbeständigen Superlegierung mit polykristallinem Nickel hergestellt.

„Die AM-Technologie verändert die Art und Weise, wie wir produzieren. Wir können Prototypen damit bis zu 90 % schneller entwickeln“, sagt Willi Meixner, CEO der Siemens Power and Gas Division. Durch die Additive Fertigung soll das Team die Zeit vom Entwurf bis zur Produktion einer neuen Gasturbinenschaufel von zwei Jahren auf zwei Monate reduziert haben. „Wir konnten nicht nur die Entwicklung neuer Gasturbinen mit höherem Wirkungsgrad und gesteigerter Verfügbarkeit beschleunigen – es ergibt sich zudem eine neue Flexibilität in der Fertigung, die es uns erlaubt, näher an den Anforderungen der Kunden zu entwickeln und einzelne Ersatzteile bei Bedarf zu liefern.“

Gesamte Prozesskette entwickelt

Innerhalb von 18 Monaten soll es dem internationalen Projektteam von Siemens-Ingenieuren aus Finspong in Schweden, Lincoln in Großbritannien und Berlin zusammen mit dem britischen 3D-Druck-Unternehmen Materials Solutions gelungen sein, die gesamte Prozesskette der Additiven Fertigung von Gasturbinenschaufeln zu entwickeln: vom Design der einzelnen Komponenten über die Materialentwicklung bis hin zu neuen Methoden der Qualitätskontrolle und der Simulation der Lebensdauer von Komponenten.

Für den Test der additiv aufgebauten Gasturbinenschaufeln wurden sie in einer industriellen Gasturbine des Typs SGT-400 mit einer Leistung von 13 MW installiert. Zusätzlich testete Siemens ein mit AM-Technologie gefertigtes neues Schaufeldesign mit einer komplett überarbeiteten internen Kühlungsgeometrie.

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