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24. April 2017

Siemens - Additive Manufacturing für Gasturbinen

Siemens - Additive Manufacturing für Gasturbinen

Ein kleines Team im schwedischen Finspång hat die Entwicklung, Produktion und Reparatur von Gasturbinen-Komponenten revolutioniert. Komplexe Metallteile werden nun in 3D ausgedruckt. Das bringt ungeahnte Design-Möglichkeiten und ist schneller und flexibler als die konventionelle Fertigung.

Es ist viel vom Träumen die Rede in Finspång. Die Kleinstadt liegt idyllisch eingebettet zwischen Hügeln, scheinbar unendlichen Wäldern und langgezogenen Seen – viel schwedischer kann man sich eine Landschaft nicht vorstellen. Doch es ist nicht die Natur, die die Experten für additive Fertigung (additive manufacturing, AM) bei Siemens zum Träumen bringt – es sind die Möglichkeiten ihrer neuen Werkstatt: Eine der am weitesten entwickelten ihrer Art weltweit, in der überdies die kommerzielle Serienproduktion läuft. Das Werk in Finspång, 2003 von Siemens übernommen, produziert Industriegasturbinen bis 54 Megawatt; in der neuen Werkstatt werden in der Zukunft immer mehr Komponenten dafür in 3D ausgedruckt.

Für eine industrielle Werkhalle ist es merkwürdig ruhig, man hört einzig ein Surren und die Ventilation. Weiße Schränke sind in der großen, fast klinisch sauberen Produktionshalle verteilt, auf den ersten Blick unspektakulär – bis man durch das Frontfenster hineinblickt. Unentwegt blitzen dort Laser auf, während sie Metallpulver schmelzen und aus Millionen von Schichten acht Gasturbinen-Brenner gleichzeitig aufbauen. Es ist AM in seiner fortgeschrittensten Form, auf einem zusammen mit dem Hersteller EOS für Siemens entwickelten 3D-Printer mit vier Lasern, den es nur in Finspång gibt. Seit 2009 der erste 3D-Laser hierher geliefert wurde, war die Entwicklung rasant. Siemens hat €20 Millionen investiert; heute ist die automatisierte Produktion Tatsache.

Nur Vorteile

„Das Schöne an dieser Technologie ist, dass sie gegenüber herkömmlicher Fertigung nur Vorteile hat“, sagt Vladimir Navrotsky, Chief Technology Officer der Distributed Generation Service Business Unit von Siemens. „Wir produzieren flexibler, günstiger und umweltfreundlicher. Gleichzeitig erhalten unsere Kunden schnellere Upgrades.“ Die signifikante Reduktion der Durchlaufzeit mache sowohl Siemens wie seine Kunden konkurrenzfähiger, sagt der gebürtige Russe, der seit 20 Jahren in der Schweiz und in Schweden tätig ist. Per Knopfdruck entstehen Teile hoher Komplexität: „Der Aufwand ist bei AM derselbe, ob nun eines oder 100 Löcher benötigt werden“, sagt Navrotsky.



Das Schöne an dieser Technologie ist, dass sie gegenüber herkömmlicher Fertigung nur Vorteile hat.
Vladimir Navrotsky, CTO der Distributed Generation Service Business Unit von Siemens

Bereits jetzt hat Finspång in der im Februar 2016 eingeweihten Werkstatt die Kapazität für sämtliche Brenner-Reparaturen seiner weltweiten Flotte von industriellen Gasturbinen. Zum Beispiel wird im Gegensatz zur konventionellen Fertigung nur noch ein kleiner Teil des Brennerkopfs, rund 2 Zentimeter, abgesägt und danach im 3D-Druck neu aufgebaut. Der Prozess ist heute zehn Mal schneller, erklärt Navrotsky: „Es muss nichts abgefräst oder geschweißt werden – wir benötigen nur genau so viel Material wie nötig.“ Was früher fast ein Jahr dauerte, schafft Siemens heute in wenigen Wochen. Da diese 3D-Druckprozesse bis zu 80 Prozent weniger Energie nutzen und somit auch weniger Emissionen verursachen, sind sie umweltfreundlicher.

Neben dem Brennerkopf befindet sich unter anderem auch ein neu entwickelter Drallerzeuger bereits in kommerzieller Produktion. Kunden erhalten bei Wartung und Reparaturen jeweils Komponenten nach dem neusten Design.

Andere Komponenten wie verbesserte Turbinenschaufeln oder Impeller werden für die Markteinführung getestet. Finspång ist dabei für das 20-köpfige Team von Vladimir Navrotsky der adäquate Ort: „Wir haben hier die ganze Wertschöpfungskette an einem Ort: Design-Team, Produktionsstätte und Service.“ Auch an einem neuen Brenner-Design wird intensiv gearbeitet. Hier zeigen sich die Vorteile der AM-Technologie in „sprunghaften Fortschritten in Forschung und Entwicklung (R&D)“, sagt Navrotsky. Einen Brenner, der vorher aus 13 Teilen gefertigt wurde, erstellt der 3D-Printer an einem einzigen Stück, mit 25 Prozent weniger Gewicht. Leitungen für Treibstoff und Luft, die in konventionellen Modellen außerhalb des Brenners lagen, können nun dank AM im Innern angeordnet werden, was die Gefahr für Schäden oder Lecks stark reduziert.

Freiheit im Design

Innerhalb des nächsten Jahres dürfte zudem ein völlig neuer Brennerkopf für die Turbine SGT-800 in die Serienproduktion gelangen. Er verfügt über eine nur durch AM erzeugbare Gitterstruktur, die Treibstoff spart, den Wirkungsgrad erhöht und durch den erzeugten Luftstrom einen starken Kühleffekt aufweist. „Wir reduzieren damit die Temperatur um 200 Grad“, sagt Vladimir Navrotsky, was eine Schadensquelle eliminiere: Für die Turbinenschaufeln bedeuten bereits 10 Grad weniger eine verdoppelte Lebensdauer. Vor 30 Jahren erforschte Navrotsky für seine Promotionsarbeit die Schaufel-Kühlung. Die Gitterstruktur war damals eine Idee, aber die Technologie fehlte. „Jetzt können wir dank AM die Art der Struktur, ihre Steifheit, ihr Gewicht – und damit den Kühleffekt steuern. Daraus ergeben sich grenzenlose Freiheiten im Design.“ Es ist einer dieser Träume, die Realität geworden sind.

Dabei ist das nur der Anfang. Durch Tests gelang es dem Team in Finspång, die optimale Gitterstruktur für ein Gemisch von Luft und Wasserstoff im Brenner zu entwickeln. Für einige Siemens-Kunden ist Wasserstoff eine günstige Alternative zu Erdgas, da es als Nebenprodukt chemischer Prozesse anfällt, sagt Navrotsky, „also haben wir den SGT-800-Brenner angepasst“. Nun ist die Verwendung von bis zu 60 Prozent Wasserstoff möglich, was im Vergleich zu Erdgas im Betrieb der Turbine einer jährlichen Einsparung von über 3 Millionen Euro entspricht. Auch für andere Treibstoffe gibt es spezifische Design-Lösungen.

Wir können dank AM noch besser auf die Anforderungen der Kunden eingehen.
Thorbjörn Fors, CEO der globalen Distributed Generation Service Business Unit

„Wir können dank AM noch besser auf die Anforderungen der Kunden eingehen“, sagt Thorbjörn Fors, CEO der globalen Distributed Generation Service Business Unit. Er verweist auf die enormen Möglichkeiten bezüglich Design und Flexibilität. Mit AM sei Experimentieren möglich, denn um eine verbesserte Komponente zu erhalten, brauche es bloß eine Variation im Computermodell und einen neuen 3D-Ausdruck. „Aber natürlich müssen wir dieselben Qualitätskriterien erfüllen wie mit herkömmlicher Fertigung“, sagt Fors. „Unsere Branche ist konservativ. Wir müssen mit Gründlichkeit und Präzision sowie Tausenden von Test-Stunden den Nachweis erbringen, dass wir im Herz der Gasturbine mit der AM-Produktion eine führende Position innehaben.“ Dies gelinge Siemens seit Jahren.

Eine neue Ära

Das Unternehmen hat weitreichende Pläne, die Flexibilität der AM-Produktion durch Dezentralisierung zu verstärken. In Zukunft werden 3D-Printer in den weltweiten Service Centers von Siemens stehen, um lokal Ersatz- und neue Teile zu drucken. Das Zeitalter großer Lager, in denen vorproduzierte Komponenten darauf warten, zu den Kunden verschickt zu werden, neigt sich dem Ende zu: Es soll dort gedruckt werden, wo die Siemens-Gasturbinen stehen, fast überall auf der Welt. Vladimir Navrotsky sagt: „Damit liefern wir nicht nur schneller, wir können auch eine Bedingung erfüllen, die eine zunehmende Zahl von Ländern stellt: Dass die Produktion vor Ort stattfindet.“

Wir können nicht nur schneller liefern, sondern auch eine Bedingung erfüllen, die eine zunehmende Zahl von Ländern stellt: Dass die Produktion vor Ort stattfindet.

Vladimir Navrotsky

Zentral dabei ist die Digitalisierung, auf die Siemens seine Produktion mehr und mehr ausrichtet. Daten aus der Cloud begleiten sämtliche Prozesse vom Design am Computer über die Entwicklung, die Produktion bis zur Herstellung von Ersatzteilen. Bereits heute werden Messdaten von Gasturbinen beim Kunden gesammelt und bei Siemens ausgewertet. Abnutzung und Schäden werden damit frühzeitig erkannt. Mehr noch: Mit der geplanten Integration von 3D-Tomographie in die Prozesse können in Zukunft Teile im lokalen Service-Center mit Röntgenscannern durchleuchtet und Probleme analysiert werden. Am 3D-Drucker werden vor Ort Reparaturen vorgenommen oder es wird, noch bevor ein Defekt auftritt, ein Ersatzteil gedruckt. Weltweit, ferngesteuert von Finspång aus. „Wir stehen mit dieser Produktion on-demand in den Startblöcken“, sagt CEO Thorbjörn Fors. Jetzt gehe es um die globale Ausweitung.

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