SIEMENS AG: 3D-Druck von Gasturbinenkomponenten

Schnelle Technologievalidierung von Turbinenschaufeln mittels Selective Laser Melting (SLM)

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    • Markteinführung / Pilot
  • Unternehmensgröße
    • 250 - 5000 Mitarbeiter
    • 5000 - 15.000 Mitarbeiter
  • Region
    • Berlin
SLM Schaufel
SLM Schaufel
© Siemens AG

Welche Herausforderungen galt es zu lösen und welcher konkrete Nutzen ergab sich?

Der 3D-Druck bettet sich ein in ein Gesamtkonzept für Industrie 4.0. Hierbei geht es nicht um voneinander isolierte Verbesserungen einzelner Aspekte, sondern um die Optimierung des gesamten Produktionsprozesses inkl. der horizontalen und vertikalen Integration in vor- und nachgelagerten Arbeitsbereiche von Konstruktion, Fertigung, Qualitätsmanagement und Service.

Mit Hilfe des Laserschmelzverfahrens können Kleinserien preiswerter und deutlich schneller hergestellt werden als durch das aufwändige Gussverfahren. Die Siemens AG nutzt dieses Verfahren im Rahmen der Prototypenfertigung, um den Test bestimmter Gasturbinenkomponenten in den Produktentwicklungsprozess zu integrieren. Bislang war das Testen von Bauteilen aufgrund der langen Fertigungs- und Beschaffungszeiten erst am Ende der Produktenwicklung möglich. Durch den integrativen Ansatz können auch aggressive Designs von Bauteilen schnell evaluiert und in den Designzyklus zurückgeführt werden, so dass sich höhere Wirkungsgradsteigerungen erzielen lassen.

"Das neuartige selektive Laserschmelzverfahren reduziert die Fertigungszeiten gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren so stark, dass ein Test funktionskritischer Bauteile bereits während der Produktentwicklung erfolgen kann, beispielsweise in unserem Testzentrum für Verbrennungssysteme, dem Clean Energy Center", erklärt Sebastian Piegert.

Wie lässt sich der Industrie 4.0-Lösungsansatz beschreiben?

Beim selektiven Laserschmelzen rastert ein Laserstrahl eine 20 bis 50 µm dünnen Lage aus Metallpulver, um den Querschnitt eines Bauteils nachzuzeichnen und das feine Metallpulver dabei zu verschweißen. Die Plattform, auf der das Bauteil aufgebaut wird, senkt sich nach dem ersten Bearbeitungsvorgang, um eine weitere 20 bis 50 µm dünne Schicht an frischem Pulver auf der Plattform zu verstreichen. Lage für Lage wird auf diese Weise die Komponente dreidimensional erzeugt, wobei der Weg des Laserstrahls durch ein 3D-Modell aus dem Computer vorgegeben wird.

Was konnte erreicht werden?

Unterschiedliche Bauteile konnten bereits erfolgreich gefertigt werden. Dazu gehören neben Brennerspitzen und Brennergittern auch Turbinenschaufeln. Außerdem wurden im Gasturbinenwerk Berlin mit dem selektiven Laser-schmelzverfahren bereits wertvolle Erfahrungen gesammelt, wie mit dem 3D-Druck radikal neue Lösungsansätze in der Konstruktion und Fertigung gegangen werden können. So produziert das selektive Laserschmelzverfahren eine deutlich feinere Korngröße und liefert teilweise bessere Materialeigenschaften, als es im herkömmlichen Gussprozess der Fall ist, wenn die Prozessparameter für den 3D-Druck richtig eingestellt werden. Kritisch sind nach wie vor Anwendungen bei sehr hohen Temperaturen, welche extreme Anforderungen an die Werkstoffe stellen.

Mit welchen Maßnahmen wurde die Lösung erreicht?

Es wurde eine durchgängige Kette von CAD über CAE hin zu CAM über das Testen der Leitschaufeln eingeführt. Dazu müssen die Performancedaten wieder in das CAD zurückgespielt werden, so dass eine geschlossene Schleife entsteht.

Was können andere davon lernen?

Entscheidend für den Erfolg ist, dass alle beteiligten Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter bereit sind, neue Wege zu gehen und den Kulturwandel in Richtung einer "digitalen" Fertigung schrittweise voranzutreiben.

Kontakt
Sebastian Piegert +49 (0)30 3461- 1089 Siemens AG, Gasturbinenwerk Berlin
Huttenstraße 12,  10553 Berlin
www.siemens.com

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