Durchbruch mit 3D-Drucker

Vollständig additiv gefertigte Gasturbinenschaufeln bei voller Leistung in Gasturbine getestet

Extreme Bedingungen für die Schaufeln aus dem 3D-Drucker: Die Schaufeln waren 13.000 Umdrehungen in der Minute und Temperaturen von über 1.250 Grad Celsius ausgesetzt © Siemens AG

Die Tests fanden im Siemens-Testcenter für industrielle Gasturbinen in Lincoln, Großbritannien, statt. Über mehrere Monate hinweg haben Siemens-Ingenieure aus Finspong in Schweden, Lincoln und Berlin zusammen mit den Experten von Materials Solutions, die Gasturbinenschaufeln und deren Fertigung optimiert.

Innerhalb von nur 18 Monaten ist es dem internationalen Projektteam gelungen, die gesamte Prozesskette zu entwickeln: vom Design der einzelnen Komponenten über die Materialentwicklung bis hin zu neuen Methoden der Qualitätskontrolle und der Simulation der Lebensdauer von Komponenten. Zusätzlich testete Siemens ein mit AM-Technologie gefertigtes neues Schaufeldesign mit einer komplett überarbeiteten und verbesserten internen Kühlungsgeometrie.

1.600 km/h bei einer Last von elf Tonnen

Siemens testete die Schaufel unter Volllast in der Gasturbine © Siemens AG

„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.

„Additive Manufacturing ist eine wichtige Säule in unserer Digitalisierungsstrategie. Die erfolgreichen Tests sind das Ergebnis eines engagierten internationalen Projektteams, bestehend aus Siemens-Ingenieuren aus Finspong, Lincoln, und Berlin sowie den Experten von Materials Solutions“, so Meixner weiter.

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.

Gasturbinenschaufeln müssen extremen Bedingungen standhalten. In einer Turbine herrschen hoher Druck, enorme Fliehkräfte und hohe Temperaturen: Bei voller Leistung dreht sich eine Schaufel mit einer Geschwindigkeit von 1.600 km/h, also doppelt so schnell wie eine Boeing 737 fliegen kann.

Außerdem trägt sie eine Last von 11 Tonnen, was ungefähr dem Gewicht eines vollbeladenen Londoner Doppeldeckerbusses entspricht. Auch enorme Hitze müssen die Schaufeln aushalten, denn bei vollem Turbinenbetrieb sind sie von 1.250 Grad heißem Gas umgeben.

3D-Druck revolutioniert die Herstellung von Gasturbinenschaufeln

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 aufwendig, zeitintensiv und teuer.

Beim Additive Manufacturing ändert sich das. 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.

Dank Additive Manufacturing konnte das Team die Zeit vom Entwurf bis zur Produktion einer neuen Gasturbinenschaufel von zwei Jahren auf zwei Monate reduzieren.

„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.“