3D-Drucker

Brennerköpfe für Gasturbinen aus dem 3D-Drucker von Siemens

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Die Additive Fertigung, häufig auch als 3D-Druck bezeichnet, findet seit einigen Jahren Eingang in die Serienproduktion. Das liegt nicht nur an Produkten, deren Design mit konventionellen Verfahren nicht mehr realisierbar sind. Die neue Technologie ist in manchen Bereichen auch wirtschaftlicher. Wie groß die Fortschritte sind, zeigt sich besonders bei extrem belasteten Komponenten, beispielsweise im Heißgasbereich von Turbinen.

Dipl.-Phys Martin Witzsch, freier Journalist, Erlangen

Inhaltsverzeichnis

1. Der Weg in die Serienproduktion
2. Design ohne Grenzen
3. Der 3D-Druck Boom

Beim 3D-Druck entsteht ein Werkstück Schicht für Schicht auf Basis einer CAD-Vorlage. Bei Kunststoffen erfolgt dies einfach über eine bewegliche Düse, für Metalle wurden Verfahren wie SLM (Selective Laser Melting) entwickelt. Die Werkstücke werden in einer Schutzgasatmosphäre per Laser aus einer dünnen Pulverschicht umgeschmolzen. Nach dem Erstarren wird eine weitere Pulverschicht aufgetragen und der Vorgang wiederholt, bis das fertige Teil entstanden ist. Rund um den eigentlichen Drucker, hat sich in den letzten Jahren eine vielfältige Infrastruktur entwickelt: Design- und Engineering-Software, Simulationstools für den Druckprozess und Programme zur Steuerung und Überwachung des Druckers. Diese Kombination aus 3D-Drucker und Software wird unter dem Begriff AM (Additive Manufacturing/Additive Fertigung) zusammengefasst, auch wenn AM und 3D-Druck gern synonym verwendet werden. Noch vor wenigen Jahren kam diese Technologie fast ausschließlich beim Rapid Prototyping zum Einsatz. Dank durchgängiger Digitalisierung des Produktionsprozesses, entwickelt sich diese Fertigungsmethode zu einer Schlüsseltechnologie für die Serienproduktion. Dies lässt sich gut an der neuen Generation von Hochleistungsdruckern für die Verarbeitung hochwertiger Legierungen erkennen. Sie sind mit mehreren Lasern ausgerüstet und können so in einem Arbeitsgang mehrere Bauteilen fertigen.

Der Weg in die Serienproduktion

Auch Unternehmen wie Siemens treiben diese Technik voran. Im Jahr 2016 erwarb der Konzern das britische Unternehmen Materials Solutions, das auf die additive Fertigung von Teilen aus Hochleistungswerkstoffen, unter anderem für Gas- und Flugzeugturbinen, spezialisiert ist. Am Firmensitz in Worcester, Großbritannien, eröffnete im Dezember 2018 eine neue Fertigungsstätte. Siemens fertigt hier sowohl für externe Auftraggeber als auch in-house für den Geschäftsbereich Gasturbinen. Speziell an den Komponenten für den Heißgasbereich lässt sich der Stand der Technik gut ablesen. AM bietet nicht nur bei der Herstellung von Bauteilen viele Vorteile. Seit 2016 werden Brennerkomponenten für Gasturbinen des Typs SGT-1000F in additiver Fertigung im kommerziellem Maßstab hergestellt. Auch bei der Reparatur einzelner Komponenten ergeben sich völlig neue Möglichkeiten. So wurden schon 2013 Brennerspitzen für Gasturbinen des Typs SGT-700, beziehungsweise SGT-800 in kommerziellem Maßstab mittels AM repariert. Die thermischen und mechanischen Belastungen speziell der Brennerspitzen erfordern eine regelmäßige Wartung, bei der ein großer Teil der Spitze ersetzt wurde. Die 3D-Druck-Spezialisten gingen sogar noch einen Schritt weiter. Mit einem modifizierten Drucker, der den gesamten Brenner aufnehmen kann, wird die Wartung noch weiter vereinfacht. Von der Brennerspitze wird zunächst nur der tatsächlich beschädigte Bereich abgeschnitten und anschließend wieder aufgedruckt. Dies reduziert die Reparaturzeit um rund 60%.

Ein weitere Anwendung findet sich bei der Versorgung mit Ersatzteilen. Komponenten verschiedener Turbinen wurden konventionell in einem Feingussverfahren hergestellt. Allerdings ist der jährliche Ersatzteilbedarf an diesen Komponenten eher gering und variiert stark. Zudem würden auch kleine Verbesserungen neue Gussformen erfordern. Es erwies sich als wirtschaftlicher, die Fertigung auf AM umzustellen. So können die Teile jederzeit kurzfristig produziert werden. Dies bietet höchste Versorgungssicherheit ohne kostspieligen Lagerhaltung. Ein weiteres Beispiel sind Turbinenschaufeln. Im Jahr 2017 wurden erstmals mit AM gefertigte Schaufeln erfolgreich unter Volllast eingesetzt. Die Schaufeln waren bei Temperaturen von 1250° C einer Beschleunigung von 10.000 g ausgesetzt. AM hat sich auch hier bewährt, nicht zuletzt dank der konstruktiven Freiheiten, die dieses Verfahren gewährt.

Design ohne Grenzen

Bei den oben beschriebenen Anwendungen bietet AM vor allem technische und wirtschaftliche Vorteile. Man könnte die Teile aber weiterhin konventionell fertigen. Anders bei einem neuen Brennertyp der SGT-700, der seit 2017 mittels SLM gefertigt wird. Siemens spricht hier von einem „point of no return“, denn dieses Bauteil kann weder gegossen, noch geschmiedet, noch mit einer spanenden Methode gefertigt werden. Schon bei Fertigungsschritten, die konventionell durchführbar wären, zeigt sich AM überlegen: Jeder Brenner wird in einem Stück gefertigt; bei dem konventionell produzierten Vorgängermodell waren 13 Einzelteile und 18 Schweißvorgänge erforderlich. Dazu kamen Konstruktionsverbesserungen, die erst AM ermöglicht hat. So ist die Pilotgaszufuhr als Teil des Brennerkopfes ausgeführt, was die äußere Brennstoffleitung überflüssig macht. Dies ermöglicht eine niedrigere Betriebstemperatur und trägt so zu einer längeren Lebensdauer der Komponenten bei. Welche Freiheiten AM bietet, wird erst nach und nach klar. Ein Kühlkanal, der nicht mehr gebohrt oder gefräst werden muss, kann nicht nur beliebig durch ein Bauteil mäandern. Er kann sogar im Querschnitt variieren, so dass das Kühlmedium an besonders belasteten Zonen seine Fließgeschwindigkeit verringert und mehr Wärmeenergie aufnimmt. Der Konstrukteur kann die optimale Formgebung in einem CAD-System gestalten und testen. Den Rest übernimmt der Laser. Dies gilt auch für andere Optimierungsprozesse, etwa zur Gewichtsreduktion ohne Stabilitätsverlust. Gleichzeitig beschleunigt AM den Entwicklungsprozess, weil Berechnungen, Simulationen und Prototypenfertigung nicht mehr zeitlich nacheinander folgen müssen. Durch die kostengünstige und flexible Herstellung eines Prototypen stehen Testergebnisse viel schneller zur Verfügung und fließen unmittelbar in die noch laufende Entwicklung ein.

Die Möglichkeiten, die AM bietet, sind noch lange nicht ausgereizt. Stärkere Laser, neue Metallpulver und leistungsfähigere Software treiben die Entwicklung voran. Dass die kompakten Drucker weltweit eingesetzt werden können, kommt der Verbreitung der Technik zusätzlich entgegen. Ein verbessertes Design, das in Berlin oder Orlando entwickelt wurde, steht sofort an jedem Ort weltweit zur Verfügung, an dem ein 3D-Drucker steht – ein ideales Werkzeug für Global Player. jg

www.siemens.com

Details zur Additiven Fertigung bei Siemens:

hier.pro/YdrG6

Hannover Messe 2019: Halle 9, Stand D35


PLUS

Der 3D-Druck Boom

Der weltweite Markt für additive Fertigung boomt – und damit auch der für entsprechende Druckmaterialien, Maschinen, Software und Dienstleistungen. Analysten gehen davon aus, dass sich das Marktvolumen von 9,7 Milliarden Euro im Jahr 2017 auf 26 Milliarden im Jahr 2021 vergrößern wird. Das überrascht angesichts der Vorzüge freilich kaum. 3D-Druck lässt die geometrischen Beschränkungen, die herkömmliche Werkzeugmaschinen einem Bauteil auferlegen, hinter sich. Das Druckverfahren erlaubt, nahezu beliebig komplexe Strukturen zu entwerfen. Das bedeutet, dass die Form eines Bauteils seiner Funktion entsprechend gestaltet werden kann. Nebenbei verringert sich das Gewicht, ohne dass die Stabilität beeinträchtigt wird. Und weil sich die Komponenten aufgrund des optimierten Designs weniger abnutzen, verlängert sich die Lebensdauer.

hier.pro/YdrG6

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