3D-Druck für Turbinenteile: Entwicklung, Performance und Nachhaltigkeit beschleunigen

3D-Druck transformiert Prototyping, Produktion und Wartung in der Turbomaschinenfertigung.

Die Technologie bietet eine leistungsstarke Alternative zu Guss und Bearbeitung für eine breite Palette von Turbomaschinenkomponenten.

In diesem Application Spotlight untersuchen wir die greifbaren Vorteile von 3D-Druck in der Turbomaschinenfertigung und zeigen überzeugende reale Beispiele.

Weitere Anwendungen dieser Serie:

• 3D Printing für Wärmetauscher
• 3D Printing für Lager
• 3D Printing für Fahrradfertigung
• 3D Printing für Digital Dentistry & Clear Aligner Fertigung
• 3D Printing für Medizinische Implantate
• 3D-gedruckte Raketen und die Zukunft der Raumschiff-Fertigung
• 3D Printing für Schuhfertigung
• 3D Printing für Elektronikbauteile
• 3D Printing in der Schienenindustrie
• 3D-gedruckte Brillen
• 3D Printing für Endbauteilproduktion
• 3D Printing für Halterungen
• 3D Printing für Turbinenteile
• Wie 3D-Druck bessere Hydraulikkomponenten ermöglicht
• Wie 3D-Druck Innovation in der Nuklearindustrie unterstützt

Was ist eine Turbomaschine?

Jedes moderne Energiesystem – von Raketen und Strahltriebwerken bis zu Windturbinen und Wasserkraft – basiert auf Turbomaschinen. Eine Turbomaschine ist ein rotierendes Gerät, bei dem ein Rotor oder Laufrad durch ein Fluid – Gas, Dampf, Wasser oder Luft – bewegt wird, um die Fluidergie in nutzbare mechanische Leistung umzuwandeln.

Vorteile von 3D-Druck für Turbomaschinen

Schnellere Produktentwicklung

3D-Druck verkürzt den Design-zum-Prototyp-Zyklus drastisch. Ingenieure benötigen kein Werkzeug mehr; sie senden eine digitale Datei direkt an den Drucker und fertigen ein funktionales Teil in Stunden oder Tagen.

Siemens nutzte 2017 diesen Ansatz für Entwicklung und Test von Gasturbinenschaufeln. Durch Druck von Prototypen verkürzte Siemens Entwicklungs- und Validierungszeit von zwei Jahren auf nur zwei Monate und testete statt eines Designs zehn Varianten in diesem Zeitraum.

Da die Schaufeln unter realen Betriebsbedingungen getestet werden konnten, verbesserte Siemens das Kühlsystem und verlängerte die Schaufellebensdauer. Das Unternehmen erwartet nun, innerhalb der nächsten drei bis fünf Jahre auf vollständig 3D-gedruckte Schaufeln umzusteigen.

Schnellere Produktion

Sulzer kombinierte Metall-3D-Druck mit Bearbeitung für geschlossene Laufräder – kritische Pumpenkomponenten, die Fluid beschleunigen, um Druck zu erzeugen.

Traditioneller Guss eines geschlossenen Laufrads kann Oberflächenfehler produzieren und bis zu 35 Tage dauern. Sulzers hybrider Prozess – 5-Achs-Fräsen eines Schmiedelings gefolgt von Laser Metal Deposition (LMD) – fertigt ein komplettes Teil in ca. 48 Stunden.

Designflexibilität

3D-Druck ermöglicht Bauteilkonsolidierung, reduziert Montageschritte und erhöht Festigkeit. Siemens re-engineerte einen Gasturbinenschaufelwirbler aus zehn gegossenen und bearbeiteten Stücken in ein einzelnes additiv gefertigtes Teil.

Der neu designte Wirbler – aus einer lösungsgefestigten Inconel-Legierung – passt in einen einzelnen EOS M 400-4 Quad-Laser-Pulverbettfusion-Build, der 16 Einheiten pro Lauf in bis zu 100 Stunden produziert.

Schnellere Reparatur

Selektives Laserschmelzen (SLM) und LMD straffen auch Reparatur verschlissener Teile. Siemens pionierte SLM-Brennerspitzen-Reparatur, die nur die beschädigte Zone abträgt und die Spitze schichtweise wiederaufbaut.

Der Prozess reduziert Reparaturzeit um 90 %, und seit 2013 hat Siemens über 2.000 Brenner repariert. Siemens nutzt LMD auch für Schaufel- und Leitschaufel-Ersatz, eliminiert traditionelles Schweißen.

3D-Druck – die Zukunft der Turbomaschinen?

Additive Fertigung beschleunigt Produktentwicklung, verbessert Komponentenperformance und verkürzt Reparaturzyklen. Die nächste Frontier: integrierte Sensoren. Optomec druckte Dehnungssensoren direkt auf Turbinenschaufeln mit Aerosol-Jet-Technologie – ermöglicht Echtzeit-Strukturmonitoring.

GE, Oak Ridge National Laboratory und Xerox-eigenes PARC sicherten 1,3 Mio. $, um Design-und-Validierungs-Timeline für 3D-gedruckte Turbinenkomponenten um bis zu 65 % zu kürzen. Ziel: fehlerfreies, hochperformantes, multifunktionales Teil, das extremen Temperaturen und Belastungen standhält.

Obwohl 3D-Druck für Turbomaschinen noch emerging ist, ist der Schwung unübersehbar. Da Hersteller Haltbarkeit und Effizienz jagen, wird additive Fertigung integraler Bestandteil zukünftiger Turbinendesigns.