US-Forschende 3D-drucken Dampfturbinenschaufel aus Metall für die Energieerzeugung

Forschende des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums haben als Dampfturbinenschaufeln für die Energieerzeugung in Kraftwerken im 3D-Druckverfahren hergestellt.

Dieser Erfolg demonstriert die Praxistauglichkeit des Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) für die skalierbare Produktion kritischer Komponenten, die mehr als 25 Pfund wiegen und traditionell durch Guss- und Schmiedeverfahren hergestellt wurden.

“Wir haben erkannt, dass wir Guss- und Schmiedeteile in kleinen Mengen, die mehr als 100 oder 200 Pfund wiegen, nicht über die inländische Lieferkette beziehen können”, sagte Michael Kirka, Leiter der Forschungsabteilung und Gruppenleiter der Gruppe Deposition Science and Technology am ORNL. “Das hat uns in eine unhaltbare Lage gebracht, vor allem, wenn wir sehen, wie internationale Konflikte den internationalen Verkehr kritischer Güter beeinflusst haben.”

Das WAAM-Verfahren verwendet einen elektrischen Lichtbogen, um Metalldraht zu schmelzen, der schichtweise zu der gewünschten Form aufgebaut wird. Nach dem Druck wird das Teil bearbeitet, um die endgültigen Designanforderungen zu erfüllen. Die Technologie, die für den Druck der Turbinenblätter verwendet wurde, wurde in Zusammenarbeit mit Lincoln Electric unter einem Kooperationsforschungs- und Entwicklungsabkommen entwickelt.

Ein wichtiger Aspekt der WAAM-Technologie ist ihre Anwendbarkeit für Reparaturen bestehender Teile. Dies ermöglicht es Unternehmen wie Siemens Energy, Ausrüstungen leichter zu warten und zu aktualisieren.

“Ursprünglich wollten wir nur 25 % des oberen Teils der Schaufel drucken”, sagte Anand Kulkarni, leitender Schlüsselexperte bei Siemens Technology. “Aber als wir das Potenzial der Drahtbogenanlage am ORNL sahen, dachten wir, wir könnten die gesamte Schaufel in einem Arbeitsgang herstellen. Die Möglichkeit, das Teil während der Fertigung zu scannen, lieferte uns die richtigen Informationen, die wir an unser Bearbeitungspersonal weitergeben konnten, und ermöglichte es uns, die Produktionszeit zu verkürzen.”

Während die Wartezeit für große Guss- und Schmiedeteile auf sieben bis acht Monate gesunken ist, konnte ORNL das Blatt in 12 Stunden drucken. Einschließlich der Bearbeitung kann ein Blatt in zwei Wochen fertiggestellt werden.

Die 3D-Drucktechnik bietet den Vorteil, dass Unternehmen nicht von spezifischen, nicht kontrollierbaren Fertigungswerkzeugen abhängig sind. Viele der großformatigen Komponenten in heutigen Turbinen sind mehrere Jahrzehnte alt. Durch Schließungen und Verlagerung der Industrie ins Ausland sind die ursprünglichen Werkzeuge für ihre Herstellung nicht mehr verfügbar. Der 3D-Druck bietet eine zuverlässige Alternative, da er jedes Design replizieren kann.

Das Projekt, das vom DOE Office of Fossil Energy and Carbon Management finanziert wurde, beinhaltet weitere ORNL-Forscher wie Ryan Duncan, Luke Meyer, Chris Masuo, Chris Ledford, Patxi Fernandez-Zelaia, Andrzej Nycz und Andres Marquez Rossy.

Die erfolgreiche Herstellung des Dampfturbinenblattes im Manufacturing Demonstration Facility des DOE unterstreicht das Potenzial des 3D-Drucks, die Transformation der US-amerikanischen Fertigungsindustrie anzutreiben und wesentliche Herausforderungen unserer Zeit zu bewältigen.