Additive Fertigung Die Gasturbine aus dem 3D-Drucker

Eine maßstabsgetreue Gasturbine aus dem 3D-Drucker haben Forscher des Fraunhofer IFAM gemeinsam mit der H+E-Produktentwicklung GmbH entwickelt, um die derzeitigen Potenziale und Grenzen pulverbettbasierter additiver Technologien zu zeigen.

Anbieter zum Thema

Sembach GmbH & Co. KG

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

BMF Boston Micro Fabrication

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)

Bis auf die Welle wurde der Technologiedemonstrator „Siemens SGT6-8000 H“, ein skaliertes Modell einer Gasturbine zur Stromerzeugung im Maßstab 1:25, komplett mit additiven Verfahren hergestellt. Die Komponentenbaugruppe besteht mit 68 Teilen aus Aluminium, Stahl und Titan. Diese Bauteile wurden optimiert und mit den Technologien des Elektronen- und Laserstrahlschmelzen gefertigt. Sie sollen die knapp 3000 Einzelteile ersetzen, aus denen das Originalbauteil besteht. Die Turbine ist dabei voll funktionsfähig. Gleichzeitig wird in einem Bauteil die Kombination von konventionellen Fertigungstechnologien – in diesem Fall Drehen – und additiven Verfahren mit Laser Beam Melting (LBM) und Selective Electron Beam Melting (SEBM) gezeigt.

Notwendigkeit und Anzahl von Stützstrukturen bedenken

Die Fertigungsplanung war besonders wichtig und entsprechend aufwendig, um die richtige Technologie für jedes Bauteil festzulegen. Genauigkeit und Rauigkeiten der Oberflächen waren z.B. zu beachten. Auch die Notwendigkeit und Anzahl von Stützstrukturen sowie die Bauteilgröße mussten bedacht werden. Die Funktionsfähigkeit des Demonstrators war bei allen Überlegungen Grundvoraussetzung. So müssen sich beispielsweise Welle und Turbinenstufen frei zwischen den Stator-Stufen drehen können und die Einzelbauteile des Demonstrators sollten mit minimalem Aufwand – durch Verschraubung und Aufstecken – miteinander verbunden werden.

Die Komponenten wurden mit der Erfahrung der beteiligten Prozess-Experten konstruktiv modifiziert, um für die eingesetzten additiven Fertigungstechnologien „first time right“ fertigen zu können. Dieses Ziel wurde auch erreicht. So konnte z. B. das Gehäusesegment aus 316L durch LBM nach den Anpassungen komplett ohne Stützstrukturen gefertigt werden.

Im Bauteil wird die Kombination verschiedener Werkstoffe, die kommerziell über die jeweiligen Anlagenhersteller verfügbar sind, demonstriert. Nicht alle verarbeiteten Werkstoffe entsprechen den Zielwerkstoffen für Turbinen. Die Beschränkung liegt darin, dass diese Werkstoffe derzeit noch nicht so verarbeitbar sind, um kommerziell angeboten werden zu können.

Das Fraunhofer IFAM war an der Fertigung des Bauteils sowie der Datenmodifizierung für die technologieangepasste Fertigung beteiligt. Die Gehäusebauteile mit Statorstufen wurden direkt vor Ort im Innovation Center Additive Manufacturing ICAM am Standort Dresden gefertigt. Sie entstanden mittels Electron Beam Melting (EBM) aus dem Werkstoff Ti-6Al-4V in der Anlage Arcam Q20+. Die Turbinenstufen und die übrigen Gehäusebauteile wurden mittels Laserstrahlschmelzen bei H+E gefertigt.

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