De lange doorlooptijd van turbinebladen en schoepen vormt een grote uitdaging voor de validatie van nieuwe ontwerpen in motortesten. Conventionele schoepproductie met gietprocessen is niet geschikt voor de snelle cyclussen die vandaag de dag nodig zijn bij nieuwe ontwikkelingen. In een gezamenlijk project hebben Siemens en het Fraunhofer Instituut voor Laser Technology (ILT) nu een sneller productieproces ontwikkeld op basis van SLM (selective laser melting). Onderdelen worden daarmee modulair in de nieuwe procesketen geproduceerd.
Vorig jaar heeft Siemens een Clean Energy Center geopend in Ludwigsfelde (D). Het centrum speelt een belangrijke rol bij het ontwikkelen en verfijnen van gasturbines met behulp van realistische proeven op verschillende turbinecomponenten met vloeibare of gasvormige brandstoffen. Het rigoureus optimaliseren van verbrandingsprocessen is de sleutel tot het bereiken van een grotere energie-efficiëntie in turbines.
Doorlooptijd moet korter
Tijdens de tests worden de individuele turbineonderdelen blootgesteld aan een temperatuur van 1500 oC of meer. Dergelijke componenten worden gewoonlijk vervaardigd uit superlegeringen met een nauwkeurig gietproces. Elke herontwikkeling kan met dit proces maanden duren voordat het prototype-onderdeel klaar is voor gebruik. Naast de lange doorlooptijd zit er tevens een hoog kostenplaatje aan vast.
SLM
Om de hoge temperaturen gedurende een lange periode van tijd te weerstaan, moeten de turbineschoepen zijn voorzien van complexe interne koelstructuren. SLM heeft zich bewezen, in het bijzonder voor prototypes en kleine series, deze complexe geometrieën efficiënt te kunnen produceren. Zoals bij een 3D-printer worden speciale legeringen gesmolten door een laser op een poederbed. De componenten worden dan laag voor laag opgebouwd. In de afgelopen jaren heeft Fraunhofer ILT expertise opgebouwd op het gebied van additieven lasertechnieken en legeringen voor componenten die blootgesteld worden aan hoge temperaturen. Met deze ervaring konden de wetenschappers de relatief grote onderdelen (tot 250 mm) met een hoge maatnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit bij Siemens produceren.
Modulair ontwerp
Stevig gemonteerd op het turbinehuis leiden schoepen het hete gas naar de beweegbare rotorbladen. De geleidingsschoepen bestaan uit twee massieve platforms plus een vleugelprofiel met fijn gestructureerde interne koelkanalen. Deze laatste vormt de uitdaging want zelfs met behulp van SLM zijn er interne ondersteuningen nodig. Een aangepaste procesketen lost dit probleem op: de platformen en het vleugelprofiel worden afzonderlijk vervaardigd en dan vervolgens aan elkaar vast gesoldeerd. Dit maakt het mogelijk om een einde te maken aan de voorheen benodigde interne ondersteuningen en tevens wordt de oppervlaktekwaliteit verbeterd. Het resultaat is een volledig functioneel onderdeel dat direct getest kan worden en vervolgens snel feedback geeft aan de ontwerpers. Siemens heeft verschillende productiestappen in voorbereiding op dit productieproces geoptimaliseerd. Na het produceren met behulp van de laser wordt het onderdeel nauwkeurig gemeten en nabewerkt. De modulaire manier van onderdelenproductie biedt ook potentieel voor andere componenten. Een mogelijkheid is om gegoten delen te verbinden met SLM geproduceerde delen, zodat alleen de complexe of variabele delen additief vervaardigd kunnen worden.
I would like to receive more technical information from the Fraunhofer Institute, because I consider to write an article about this application for Mikroniek, professional journal of the DSPE, Dutch Society for Precision Engineering. Please send my message to the institute.