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Energiesparende Gasturbine aus dem 3D-Drucker

Bild: Neutronen können durch das Metall “sehen”. Daher ist die Neutronenbeugung eine ideale Methode zur Messung der Restspannung in Bauteilen, die durch additive Fertigung hergestellt wurden. Das Foto zeigt eine Gitterstruktur in … Anzeige Mehr

Bildnachweis: Dr. Tobias Fritsch / Pam

Der 3D-Druck eröffnete ganz neue Möglichkeiten. Ein Beispiel hierfür ist die Herstellung neuer Turbinenschaufeln. Der 3D-Druckprozess verursacht jedoch häufig innere Spannungen in den Bauteilen, die im schlimmsten Fall zu Rissen führen können. Jetzt hat mein Forschungsteam erfolgreich Neutronen aus einer Forschungsneutronenquelle an der Technischen Universität München (TUM) zur zerstörungsfreien Erfassung dieses Innendrucks eingesetzt – ein wichtiger Durchbruch zur Verbesserung der Produktionsprozesse.

Gasturbinenschaufeln müssen extremen Bedingungen standhalten: Unter hohem Druck und hohen Temperaturen sind sie enormen Zentrifugalkräften ausgesetzt. Um die Energieproduktivität zu maximieren, müssen Eimer Temperaturen über dem Schmelzpunkt des Materials standhalten. Möglich machen dies ausgehöhlte luftgekühlte Turbinenschaufeln.

Diese Turbinenschaufeln können mit Laser Powder Bed Fusion, einer additiven Fertigungstechnologie, hergestellt werden: Hier wird das Ausgangsmaterial durch selektives Verschmelzen mit einem Laser Schicht für Schicht in Pulverform hergestellt. Ähnlich wie bei Vogelknochen sorgen die komplizierten Gitterstrukturen in den hohlen Turbinenschaufeln des Teils für die notwendige Stabilität.

Der Herstellungsprozess erzeugt innere Spannungen im Material

“Es wäre unmöglich, komplexe Bauteile mit solch komplexen Strukturen mit traditionellen Herstellungsverfahren wie Gießen oder Schleifen herzustellen”, sagt Dr. Tobias Fritsch von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM).

Der hochspezifische Wärmeeintrag des Lasers und die schnelle Abkühlung des Schmelzbades führen jedoch zu Restspannungen im Material. Normalerweise werden die Hersteller im letzten Wärmebehandlungsschritt von diesem Stress befreit, was Zeit kostet und somit Geld kostet.

Leider können diese Beanspruchungen auch Komponenten zu Beginn des Produktionsprozesses und sogar der Nachbearbeitung beschädigen. “Stress kann zu Verformungen und im schlimmsten Fall zu Rissen führen”, sagt Tobias Fritsch.

Daher untersuchte er die Innendruck-Gasturbinenkomponente mit Neutronen der Neutronenforschungsquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II). Das Bauteil wird nach additiven Produktionsverfahren des Gasturbinenherstellers Siemens Energy hergestellt.

Die Nachbearbeitung wurde absichtlich weggelassen

Für das FRM II-Neutronenexperiment druckte Siemens Energy eine nur wenige Millimeter große Gitterstruktur mit einer Nickel-Chrom-Legierung, wie sie für Gasturbinenkomponenten typisch ist. Die übliche Wärmebehandlung nach der Produktion wurde absichtlich weggelassen.

“Wir wollten sehen, ob wir Neutronen verwenden können, um die inneren Spannungen in dieser komplexen Komponente zu erfassen”, erklärt Fritsch. Er hat bereits Erfahrungen mit Neutronenmessungen am Berliner Forschungsreaktor BER II gesammelt, der Ende 2019 geschlossen wurde.

„Wir freuen uns sehr, im Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching Messungen durchführen zu können. Mit Geräten von STRESS-SPEC konnten wir sogar die inneren Spannungen in komplexen und komplizierten Gitterstrukturen wie diesen lösen“, sagt der Physiker .

Gleichmäßige Wärmeverteilung beim Drucken

Nachdem das Team den Innendruck innerhalb des Bauteils erfolgreich erkannt hat, besteht der nächste Schritt darin, diesen schädlichen Druck zu reduzieren. „Wir wissen, dass wir die Parameter des Produktionsprozesses und damit die Art und Weise, wie die Komponente beim Drucken erstellt wird, anpassen müssen“, sagt Fritsch. Entscheidend ist dabei der zeitliche Wärmeeintrag beim Aufbau der einzelnen Schichten. “Je spezifischer die Anwendung von Wärme während des Schmelzprozesses ist, desto größer ist der Innendruck.”

Solange der Laser des Druckers auf einen bestimmten Punkt gerichtet ist, erwärmt sich der Punkt relativ zu den angrenzenden Bereichen. 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 überarbeiteten Druckparametern untersuchen. Das Team arbeitet bereits mit Siemens zusammen, um neue 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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