ガスタービン分野に適用された粉末床金属溶融3Dプリント技術の生産事例一覧

3Dプリント技術を使用して最適化された主要部品を製造することで、機器の全体的なパフォーマンスが向上し、市場競争で機器が際立つようになります。これは、特に付加価値の高い機器や製品の場合、3Dプリントで追求する価値のある「トレンド」です。 GE、シーメンス、ターボカム、MAN などの企業は、ブレードやタービンの製造に 3D プリント技術を使用することに取り組んでいます。最近ではタービンブレードだけでなく、燃焼室内のコアも3Dプリント技術を使って徐々に完成しつつあります。 3Dプリント技術とガスタービン製造を組み合わせることで、ガスタービンの発電効率を向上させ、付加価値を高める取り組みといえる。次に、ガスタービン分野に適用された粉末床金属溶解3Dプリント技術の国際的な生産事例をレビューし、3Dプリント技術の価値増幅効果を共有します。

--GE
米国グリーンビルにある GE の先進製造技術研究センター「GE Store」インキュベーターは、GE Power による 7,500 万ドルの投資で建設されました。この施設は、GE の巨大なグリーンビル製造キャンパスのすぐ隣にあります。この巨大な工場では、GE パワーが世界最大のガスタービンを製造しており、その重量は数百トンにもなりますが、部品の精度は極めて高いレベルです。

GE HArriet は、3D プリント製造技術により自社の純効率記録を更新しました。グリーンビル発電所でのテストでは、複合サイクル効率が64%となり、以前の設計を上回りました。 GEは、ハリエットの効率性の向上は「継続的な技術革新によってもたらされた燃焼効率の飛躍的向上」によるものだとしており、この技術革新は3Dプリント技術によって製造された蒸気タービンの複数の主要部品と切り離せないものだという。

金属 3D プリントは燃焼システムの設計最適化に適用されます。金属 3D プリントによって可能になったより複雑な形状により、エンジニアはガスタービン内の燃料と空気の予混合を改善し、発電効率を最大化できます。
2017年1月24日にGEに付与された特許は、燃料噴射装置本体と冷却システムの製造技術をカバーしています。ガスタービンは、一般的に、圧縮機部、燃焼器を有する燃焼部、およびタービン部を含む。圧縮部は作動流体の圧力を徐々に高め、圧縮された作動流体を燃焼部に供給します。圧縮された作動流体に燃料が噴射され、可燃性混合物が形成されます。
可燃性混合物は燃焼室内で燃焼し、高温、高圧、高速度の燃焼ガスを生成します。燃焼ガス温度を高くすると、燃焼器の熱力学的効率が向上します。燃焼ガス温度が高いほど二原子窒素の分解速度が速くなりますが、燃焼ガス温度が低いと一般に燃焼ガスの化学反応速度が低下し、生成された一酸化炭素 (CO) と未燃焼炭化水素 (UHCS) の燃焼室内での滞留時間が長くなります。

燃焼器の全体的な排出性能と熱効率のバランスをとるために、特定の燃焼器設計には、ライナーの周囲に配置され、一般に一次燃焼ゾーンの下流に位置する複数の燃料噴射装置が含まれます。燃料インジェクターは通常、ライナーを放射状に貫通して伸び、流体を燃焼ガス流路に送り込みます。

燃焼ガス流れ場における燃焼ガスの高い運動量を克服するためには、大量の圧縮空気をインジェクターに通して燃料を燃焼ガス流れに完全に押し込む必要があります。燃料を燃焼ガス流路内に適切に送り込むには、比較的高い圧力で燃料を供給する必要があります。

これらの問題に対する現在の解決策としては、燃料インジェクターの一部をライナーを通して内径に向かって燃焼ガス流路まで延長することが挙げられます。しかし、この方法では燃料インジェクターが高温の燃焼ガスにさらされるため、部品の機械的寿命に影響を与え、燃料コークスの蓄積を引き起こす可能性があります。 3D Science Valley の市場調査によると、GE は燃料噴射装置を燃焼ガス流路まで延長するために使用される冷却システムを改良しました。

2017年1月24日にGEに付与された特許には、燃料噴射装置本体が含まれており、冷却チャネルを含む本体を決定するための3次元モデリング情報、3次元モデリングを複数のスライス断面に切断し、電子ビーム溶融技術によって各層を溶融して固化して燃料噴射装置本体を製造する。

GE の取得した特許は、燃焼ガス流路内に延びる燃料噴射装置を冷却するシステムも対象としています。このシステムには、燃焼室を通る燃焼空気の流路を定めるライナー、ライナーを貫通する燃料噴射口、および燃料噴射器が含まれます。

インジェクター本体は、粉末床レーザー溶融または電子ビーム溶融 (EBM) 技術を使用して製造されます。レーザー溶融付加製造プロセスにより、従来の製造方法ではほぼ不可能な、より複雑な冷却チャネルパターンを実現できます。さらに、積層造形により、従来の方法で冷却チャネルを形成するために複数のコンポーネントをろう付けまたは接着する必要性など、潜在的な漏れやその他の潜在的な悪影響が軽減されます。従来の方法では、プロセスの複雑さと手順が増加するだけでなく、潜在的な品質リスクも生じます。

レーザー溶融技術を使用することで、各層のサイズは 0.0005 インチから約 0.001 インチになります。 GE は、この特許において、EOSINT™ M 270、PHENIX PM250、または EOSINT™ M 250 を使用します (ただし、これらに限定されません)。 3D Science Valley の市場調査によると、GE が使用する金属粉末部品には、HS1888 や INCO625 などのコバルトクロムが含まれています (ただし、これらに限定されません)。金属粉末の粒子サイズは約 10 ミクロン〜約 74 ミクロン、好ましくは約 15 ミクロン〜約 30 ミクロンである。

-- シーメンス
葉っぱ<br /> シーメンスの 3D プリントブレードは、13 メガワット (MW) のシーメンス SGT-400 産業用ガスタービンに取り付けられています。タービンブレードは高性能多結晶ニッケル超合金粉末で作られており、タービンの高速回転による高圧、高温、回転力に耐えることができます。完全に負荷がかかった状態では、これらのタービンブレードは最高時速 1,600 km で回転し、最高 1,250°C の空気温度に囲まれ、その後 400°C の空冷環境に入ります。

これらのブレードは、シーメンスが買収したマテリアルソリューションズ社製のものです。マテリアルソリューションズ社の中核的な競争力は、選択的レーザー溶融材料を制御する能力にあります。最適な領域には、インコネル 625、インコネル 718、およびハステロイ X、C263、C1023、CM247LC などのニッケルベースの合金が含まれます。加工中に材料を制御することにより、Materials Solutions は、優れた性能だけでなく、従来の加工方法では実現不可能な形状も実現できるブレードなどの高温合金の加工能力というコアコンピテンシーを開発しました。

ブレードのテストが行われるシーメンスの工場はイギリスのリンカーンにあり、テストに合格したブレードは実際の動作条件に置かれます。シーメンス・エナジーの専門家によると、複雑な内部冷却形状を備えたこれらのブレードはタービンの効率を向上させるとのことだ。ブレードは米国ウースターの工場で製造されています。

バーナー<br /> シーメンスは、スウェーデンのフィンスポンにある工場でガスタービン部品を生産するために 3D プリント技術を使用しています。 3D プリント技術により、これまで現場での生産では不可能と考えられていた設計を実現できるようになり、新しいビジネスモデル、特にサービスモデルが可能になります。

スウェーデンのフィンスポン工場内では、組み立て工が SGT-800 ガスタービンのカバーを開け、タービンのブレードを駆動する 30 個のバーナーを設置している。マットグレーのバーナーは台車に保管され、設置を待っていました。複雑な設計にもかかわらず、目に見える溶接部分はほとんどありません。

図：バーナーヘッドだけでなく、ガスタービンスワーラーもここで加工されます。
新しいガスタービンでは、溶接されたバーナーヘッドが 3D プリント技術を使用して製造された部品に置き換えられます。 3D製造技術を用いて製造されたバーナーヘッド部品は、外壁に多数の開口部があり、内部には代替燃料（主に水素や合成ガス）の試験に使用できるフレーム状の構造を備えています。これらの代替燃料ガスは通常、工業生産プロセス中に生成される廃ガスです。工場の運営者はこれらの排気ガスを利用したいのですが、バーナーでガスを均一に混合する必要があるため、利用することができません。しかし、今では、このフレームワーク構造の助けを借りて、このプロセスが実現されるでしょう。この構成により、新しいバーナーは天然ガスに最大 60% の水素を混合できます。これは革命的な数字です。これまでは、溶解や溶接などの従来の重工業プロセスでは高い混合比を実現できる構造を製造できなかったため、わずか数パーセントの水素混合比しか達成できませんでした。

3D プリント技術は、新しい部品や新しいデザインの製造だけでなく、再製造にも使用されます。フィンスポン発電所の分散型発電サービス事業チームは、2013年から使用済みのバーナーヘッドの再生を行っています。保守技術者は、約3万時間連続稼働していたバーナーヘッドをガスタービンから取り外し、シーメンスのフィンスポン工場に送った。ここで、技術者は摩耗したバーナーヘッドの上部 2 センチメートルを取り外し、上部の部品を再印刷します。 3D プリント装置で 20 時間も経たないうちに、古いバーナーは新品同様になり、再び取り付けて使用できる状態になりました。ダウンタイムはコストがかかるため、技術者はすぐに古いバーナーを再生部品に交換します。現場での改修などの利点に加えて、再生部品は発電所の運営者が発電量を増やすのに役立つことがよくあります。それは「効率を最大1パーセント向上できる」からです。もう1つの進歩は、バーナーの先端で摂氏1,500度の温度に耐えられる非常に耐久性の高いニッケルベースの材料を含む、新しい印刷材料の使用です。

図：メンテナンスプロセス中、拡張現実メガネはリモートガイダンスをサポートできます。
-- 男性<br /> ドイツのディーゼルエンジンとタービンメーカーであるMAN Diesel & Turboも、10年以上前にガスタービン部品の3Dプリント研究開発プロジェクトを立ち上げました。製品の性能面では、MAN Diesel & Turboが開発した金属3DプリントガイドブレードがMGT6100ガスタービンに取り付けられてテストされています。実際の環境で検証した後、MAN Diesel & Turboは、金属3Dプリント部品がタービンエネルギーの脱炭素化、省エネ、環境保護の実現に役割を果たしたと考えています。

一方、金属 3D プリント技術により、製品の反復速度が向上しました。MAN Diesel & Turbo の R&D チームは、製品検証のために短期間で少数の製品を迅速に製造できるため、製品の R&D サイクルが短縮されます。新製品の開発を加速するだけでなく、金属3Dプリント技術はスペアパーツのサプライチェーンでも役割を果たします。顧客が必要とするときに、MAN Diesel & Turboはいつでも製品のデジタル設計モデルをプリントアウトし、短時間で顧客にスペアパーツを取り付けることができます。この場合、MAN Diesel & Turbo ユーザーは、タービンを長期間使用した後に適合するスペアパーツを交換できなくなることを心配する必要はありません。

MAN Diesel & Turbo は、3D プリント部品の製造を検討する過程で、積層造形で豊富な経験を持つドイツの Fraunhofer レーザー技術研究所などのパートナーと緊密に連携しました。

今後、MAN Diesel & Turboは、生産における3Dプリント技術の応用をさらに推進し、3Dプリント技術の価値を探求していきます。現在、MAN Diesel & Turboは260万ユーロを投資して、ドイツのMAN Diesel & Turboのタービン工場内に「MAN Additive Manufacturing Center」を設立しました。設計専門家、材料専門家、エンジニアが積層造形センターで協力し、3D プリント技術を使用してコンプレッサーのインペラーや燃料ノズルなどのより複雑な部品を開発します。

出典: 3Dサイエンスバレー

ガスタービン分野に適用された粉末床金属溶融3Dプリント技術の生産事例一覧

ギルモア・スペース・オーストラリアがロケットを打ち上げる

3Dプリントされた自転車用ヘルメットは従来のヘルメットよりも軽量

2019IAME中国（西安）国際3Dプリント博覧会とサミットフォーラム、南極熊は引き続き詳細なレポートを発表

LLNLは金属3Dプリントの急速な発展を促進するための基礎研究を実施

29分で10個の透明矯正器具を印刷し、YounizaoとNBEEが世界トップの矯正歯科AAO年次会議に登場

ウルフ・ロボティクスは、鍛造をマルチフィード、マルチマテリアルの大規模3Dプリント装置に置き換えました。

ic! ベルリンが新しい外骨格 3D プリントメガネを発売: クールな外観、ネジ不要

台湾オーロラ：3Dプリント事業は2016年に23％、2017年1月には38％成長

インドの医師らが3Dプリントした耳をウサギに移植し、大規模な動物実験を行う予定

アーク添加剤設備の設置容量が100セットを超え、エニグマは2023年の成績表を発表した。

推薦する

3Dプリントが「斬新」かつ「ネットセレブ」でありながら流行遅れにならない理由を教えて

Snapmakerは「2022年中国海外先駆企業トップ36」に選出されました！ 36Krが成長の可能性を認める

IME3Dシリーズ3Dプリントイノベーション（教育）ソフトウェアが最初の一連の教育コースウェアをリリース

インクジェット3Dプリントはますます人気が高まっており、Xaarの超高粘度ジェット技術は包装業界に新たな可能性をもたらします。

日本のNAISTがRaise3Dプリンターでロボット研究に革命を起こす

カーボンファイバー3Dプリントスケートボード、本当に滑れます！

ロシアは2017年に3Dプリントされた小型衛星を軌道に乗せる計画

火傷患者のリハビリテーション分野における3Dスキャンの応用の検証、15秒で患者の顔データを取得

春節期間中、Mingzhan Technology & TEACHのスタッフ一同は、Antarctic Bearを通じて皆様の幸せな新年をお祈りいたします。

付加製造における人工知能の重要性

毎年400人の退役軍人が3Dプリントの教育を受け、再雇用の機会を得ています

画期的進歩：米国の科学者が海洋グレードのステンレス鋼の 3D プリントに成功。完成品は従来のものより 3 倍の強度を実現！

3D Systemsは、業界をリードする積層造形ソリューションを2017 EMO Hannoverに導入します。

3D プリント業界のレビュー: 2021 年 1 月

ロールスロイスは3Dプリント技術を使って「超パーソナライズ」されたクールなコンセプトカーを開発する