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Ausgewählte Ausgabe: 03-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Modulare Prototypenfertigung mit dem Laser

Die konventionelle Fertigung neuer Turbinenschaufeln ist zeit-und kostenintensiv, was gerade bei Turbinentests große Verzögerungen bewirkt. In einem gemeinsamen Projekt von Siemens und dem Fraunhofer ILT in Aachen wurde ein schneller Fertigungsprozess auf der Basis von „Selective Laser Melting“ (SLM) entwickelt. Zusätzliche Vorteile ergaben sich durch eine neue Prozesskette, bei der die Bauteile modular gefertigt werden.


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Bild 1.
Einzeln gefertigte Blatt-Segmente der Leitschaufel für die modulare Prozesskette.

Im vergangenen Jahr hat Siemens ein neues Brenner-Testzentrum in Ludwigsfelde bei Berlin in Betrieb genommen. Das „Clean Energy Center“ spielt eine große Rolle für die Neu- und Weiterentwicklung von Gasturbinen. In realitätsnahen Versuchen mit flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen werden dort verschiedene Turbinenbauteile getestet. Die konsequente Optimierung der Verbrennungsprozesse ist dabei der Schlüssel zu einer höheren Energieeffizienz der Turbinen, Bild 1.
Bei den Versuchen sind einzelne Turbinenteile Temperaturen von 1500 °C und mehr ausgesetzt. Solche Bauteile werden meistens aus Superlegierungen im Feingussverfahren hergestellt, was je Iterationsschleife mehrere Monate dauern kann und mit erheblichen Kosten verbunden ist. Bislang schränkte das die Zahl der möglichen Tests stark ein.

Schnelle Prototypenfertigung mit additivem Laserverfahren

Experten von Siemens und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen haben jetzt eine laserbasierte Technologieentwickelt, mit der sich Turbinenschaufeln für den Heißgasbereich viel schneller herstellen lassen. Um den hohen Temperaturen dauerhaft standzuhalten, benötigen die Schaufeln im Inneren komplexe Kühlstrukturen. Gerade bei Prototypen oder Kleinserien mit anspruchsvollen Geometrien hat sich das SLM-Verfahren bewährt. Ähnlich wie bei einem 3D-Drucker werden dafür spezielle Legierungen in einem Pulverbett mit dem Laser aufgeschmolzen. Daraus lassen sich dann schichtweise Komponenten aufbauen.
Am Fraunhofer ILT wurde in den letzten Jahren viel Erfahrung mit den additiven Laserverfahren und Legierungen für hochtemperaturbelastete Bauteile gesammelt. Mit diesem Know-how konnten die Aachener spezielle Prozesse entwickeln, um bei Siemens die relativ großen Bauteile (bis zu 250 mm) mit hoher Maßgenauigkeit und guter Oberflächenqualität zu fertigen.

Neue Fertigungskette mit modularem Aufbau der Turbinenschaufeln

Leitschaufeln sind fest am Gehäuse der Turbine montiert und leiten das heiße Gas auf die beweglichen Laufschaufeln. Die Leitschaufeln bestehen aus zwei massiven Plattformen und einem Schaufelblatt mit einer filigranen Kühlstruktur. Letztere bedeutet eine große Herausforderung bei der Fertigung – auch bei der Herstellung mit SLM waren zusätzliche Stützen im Inneren nötig.

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