3D-printen voor turbinedelen: Versnellende ontwikkeling, prestaties en duurzaamheid

3D-printen transformeert prototyping, productie en onderhoud in turbomachinery-productie.

De technologie biedt een krachtige alternatief voor gieten en bewerken voor een breed scala aan turbomachinery-componenten.

In deze Application Spotlight onderzoeken we de concrete voordelen van 3D-printen in turbomachinery-productie en tonen overtuigende praktijkvoorbeelden.

Andere toepassingen in deze serie:

• 3D-printen voor warmtewisselaars
• 3D-printen voor lagers
• 3D-printen voor fietsproductie
• 3D-printen voor digitale tandheelkunde & transparante aligner productie
• 3D-printen voor medische implantaten
• 3D-geprinte raketten en de toekomst van ruimtevaartproductie
• 3D-printen voor schoenenproductie
• 3D-printen voor elektronische componenten
• 3D-printen in de spoorwegsector
• 3D-geprinte brillen
• 3D-printen voor eindonderdelenproductie
• 3D-printen voor beugels
• 3D-printen voor turbinedelen
• Hoe 3D-printen betere hydraulische componenten mogelijk maakt
• Hoe 3D-printen innovatie in de kernenergie-industrie ondersteunt

Wat is een turbomachine?

Elk modern energiestelsel – van raketten en straalmotoren tot windturbines en waterkracht – steunt op turbomachinery. Een turbomachine is een roterend apparaat waar een rotor of waaier door een vloeistof beweegt – gas, stoom, water of lucht – om de energie van de vloeistof om te zetten in bruikbaar mechanisch vermogen.

De voordelen van 3D-printen voor turbomachinery

Snellere productontwikkeling

3D-printen verkort de ontwerp-naar-prototype cyclus dramatisch. Ingenieurs hoeven geen gereedschappen meer te fabriceren; ze kunnen een digitaal bestand direct naar een printer sturen, wat een functioneel onderdeel in uren of dagen produceert.

Siemens gebruikte deze aanpak in 2017 om gasturbine-bladen te ontwikkelen en te testen. Door prototypes te printen, verkorte Siemens de ontwikkelings- en validatietijd van twee jaar naar slechts twee maanden en bewoog van het testen van een enkel ontwerp naar het evalueren van tien varianten binnen die periode.

Omdat de bladen onder echte operatieve condities getest konden worden, verbeterde Siemens het koelsysteem en verlengde de levensduur van de bladen. Het bedrijf verwacht nu over te gaan op volledig 3D-geprinte bladen binnen de komende drie tot vijf jaar.

Snellere productie

Sulzer combineerde metaal 3D-printen met bewerken om gesloten waaiertjes te creëren – een cruciale pompcomponent die vloeistof versnelt om druk te genereren.

Traditioneel gieten van een gesloten waaiertje kan oppervlaktedefecten produceren en tot 35 dagen duren. Sulzer's hybride proces – 5-as frezen van een gesmeed billet gevolgd door Laser Metal Deposition (LMD) – produceert een compleet onderdeel in ongeveer 48 uur.

Ontvrijheid

3D-printen maakt componentenconsolidatie mogelijk, wat assemblage-stappen reduceert en sterkte verhoogt. Siemens herontwierp een gasturbine-brandstofzwabber van tien gegoten en bewerkte stukken naar een enkel additief-geproduceerd onderdeel.

De herontworpen zwabber – gemaakt van een oplossing-versterkt Inconel-alliage – past in een enkele EOS M 400-4 quad-laser poederbed-fusie build die 16 eenheden per run produceert in maximaal 100 uur.

Sneller herstel

Selective Laser Melting (SLM) en LMD stroomlijnen ook herstel van versleten onderdelen. Siemens pionierde een SLM-branderpunt-reparatie die alleen de beschadigde zone afsnijdt en de punt laag voor laag herbouwt.

Het proces verlaagt hersteltijd met 90%, en sinds 2013 heeft Siemens meer dan 2.000 burners gerepareerd. Siemens gebruikt ook LMD om bladen en schaufels te vervangen, wat traditionele lassen elimineert.

3D-printen – de toekomst van turbomachinery?

Additieve productie versnelt productontwikkeling, verbetert componentprestaties en verkort herstelcycli. De volgende grens ligt in geïntegreerde sensoren: Optomec heeft rek-sensoren direct op turbinebladen geprint met zijn Aerosol Jet-technologie, wat real-time structurele monitoring mogelijk maakt.

GE, Oak Ridge National Laboratory, en Xerox-eigendom PARC hebben $1,3 miljoen veiliggesteld om de ontwerp-en-validatietijdlijn voor 3D-geprinte turbinecomponenten met tot 65% te verkorten. Het doel is een defect-vrij, hoog-presterend, multi-functioneel onderdeel dat extreme temperaturen en spanningen weerstaat.

Hoewel 3D-printen voor turbomachinery nog steeds opkomend is, is de onweerstaanbare momentum. Naarmate fabrikanten jagen op duurzaamheid en efficiëntie, zal additieve productie integraal worden aan toekomstige turbinedesigns.