Energiesparende Gasturbinen für 3D-Drucker

Energiesparende Gasturbinen für 3D-Drucker

BILD: Neutronen können durch Metall “sehen”. Daher ist die Neutronenbeugung eine ideale Methode zur Messung der Restspannung in Bauteilen, die durch additive Fertigung hergestellt wurden. Das Bild zeigt eine Fachwerkstruktur in der Ansicht … Nach dem

Bildnachweis: Dr. Tobias Fritsch / BAM

Der 3D-Druck hat ganz neue Möglichkeiten eröffnet. Ein Beispiel ist die Herstellung neuer Turbinenschaufeln. Der 3D-Druckprozess führt jedoch häufig zu inneren Spannungen in den Bauteilen, die im schlimmsten Fall zu Rissen führen können. Heute hat ein Forscherteam erfolgreich Neutronen der Neutronenquelle der Technischen Universität München (TUM) zur zerstörungsfreien Erkennung dieser inneren Spannung eingesetzt – eine wichtige Errungenschaft für die Prozessverbesserung der Produktion.

Gasturbinenschaufeln müssen extremen Bedingungen standhalten: Unter hohem Druck und hoher Temperatur sind sie enormen Zentrifugalkräften ausgesetzt. Um die Kraftstoffeffizienz weiter zu maximieren, müssen die Schaufeln Temperaturen standhalten, die tatsächlich über dem Schmelzpunkt des Materials liegen. Möglich machen dies hohle Turbinenschaufeln, die von innen luftgekühlt sind.

Diese Turbinenschaufeln können mit Laser Powder Bed Fusion, einer additiven Fertigungstechnologie, hergestellt werden: Hier wird das Startermaterial in Pulverform Schicht für Schicht durch selektives Schmelzen mit einem Laser gebildet. Wie Vogelknochen verleihen komplizierte Gitterstrukturen in den hohlen Turbinenbechern dem Teil die notwendige Stabilität.

Der Herstellungsprozess erzeugt innere Spannungen im Material

“Komplexe Bauteile mit derart komplexen Strukturen lassen sich mit herkömmlichen Fertigungsmethoden wie Formen oder Fräsen nicht herstellen”, sagt Dr. Tobias Fritsch von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM).

Der stark lokalisierte Wärmeeintrag des Lasers und das schnelle Abkühlen des geschmolzenen Pools führen jedoch zu Restspannungen im Material. Hersteller beseitigen diese Einschränkungen im Allgemeinen in einem nachgeschalteten Wärmebehandlungsschritt, der jedoch Zeit in Anspruch nimmt und daher Geld kostet.

Leider können diese Spannungen auch Komponenten vom Produktionsprozess bis zur Nachbearbeitung beschädigen. „Stress kann zu Verformungen und im schlimmsten Fall zu Rissen führen“, sagt Tobias Fritsch.

Daher untersuchte er eine Gasturbinenkomponente für innere Spannungen unter Verwendung von Neutronen aus der Heinz Maier-Leibnitz-Forschungsneutronenquelle (FRM II). Das Bauteil wurde in additiven Produktionsverfahren vom Gasturbinenhersteller Siemens Energy hergestellt.

Nachbearbeitung absichtlich weggelassen

Für das Neutronenexperiment am FRM II druckte Siemens Energy eine Gitterstruktur von nur wenigen Millimetern mit einer für Gasturbinenkomponenten typischen Nickel-Chrom-Legierung. Die übliche Wärmebehandlung nach der Produktion wurde absichtlich weggelassen.

„Wir wollten wissen, ob wir Neutronen verwenden können, um interne Spannungen in dieser komplexen Komponente zu erfassen“, sagt Tobias Fritsch. Er hatte bereits Erfahrungen mit Neutronenmessungen im Berliner Forschungsreaktor BER II gesammelt, der jedoch Ende 2019 stillgelegt wurde.

“Wir freuen uns sehr, Messungen im Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching durchführen zu können. Mit den von STRESS-SPEC bereitgestellten Geräten konnten wir sogar interne Spannungen in so komplexen und komplexen Gitterstrukturen auflösen. Ci “, sagt der Physiker.

Gleichmäßige Wärmeverteilung beim Drucken

Nachdem das Team die interne Spannung innerhalb der Komponente erfolgreich erkannt hat, besteht der nächste Schritt darin, diese destruktive Spannung zu reduzieren. „Wir wissen, dass wir die Parameter des Produktionsprozesses und damit die Art und Weise, wie das Bauteil beim Drucken aufgebaut wird, ändern müssen“, sagt Fritsch. Entscheidend dabei ist der zeitliche Wärmeeintrag beim Aufbau der einzelnen Schichten. “Je lokaler die Anwendung von Wärme während des Schmelzprozesses ist, desto größer ist die innere Spannung.”

Solange der Laser des Druckers auf einen bestimmten Punkt gerichtet ist, nimmt die Wärme des Punktes relativ zu benachbarten Bereichen zu. Dies führt zu Temperaturgradienten, die zu Unregelmäßigkeiten im Atomgitter führen.

„Deshalb müssen wir die Wärme während des Druckvorgangs so gleichmäßig wie möglich verteilen“, sagt Fritsch. In Zukunft wird die Gruppe die Situation mit neuen Komponenten und geänderten Druckeinstellungen untersuchen. Das Team arbeitet bereits mit Siemens zusammen, um weitere Messungen mit der TUM-Neutronenquelle in Garching zu planen.

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Neben Wissenschaftlern des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums der Technischen Universität München und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung nahmen auch ein Entwickler der Siemens Energy GmbH & Co KG und ein Wissenschaftler der Universität Potsdam an der Forschung teil. .

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