シーメンスとフラウンホーファーが協力し、モジュール式3Dプリントガスタービンブレードを開発

ガスタービンは、連続的に流れるガスを作動流体として使用し、インペラを高速で回転させ、燃料のエネルギーを有用な仕事に変換する内燃動力機械です。これは回転インペラ熱機関です。ガスタービンの用途は2つに分けられます。1つはロールスロイス、プラット・アンド・ホイットニー、GEに代表される航空機エンジン会社が航空機エンジンを改造した軽量ガスタービンで、主に産業や船舶に使用されています。もう1つはシーメンス、ABB、GEに代表される伝統的な蒸気タービンのコンセプトに従って開発された産業用重量ガスタービンで、主に機械駆動や大型発電所に使用されています。

ガスタービンは、圧縮機、燃焼室、ガスタービンで構成されています。燃焼室とタービンは、動作温度が高いだけでなく、ガスタービンの起動・停止時の急激な温度変化による熱衝撃にも耐えるなど、動作条件が過酷であり、ガスタービンの寿命を左右する重要な部品です。十分な寿命を確保するために、ブレードなど、最も過酷な動作条件にさらされるこれら 2 つのコンポーネントの部分は、高温材料で作られています。それだけでなく、ブレードなどの部品の耐用年数を確保するために、冷却構造を設計する必要もあります。冷却構造を備えたブレードは、製造技術にとって大きな課題となります。シーメンスは、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所と協力し、SLM 3D プリント技術を使用して複雑なガスタービンブレードの製造プロセスを最適化しました。

シーメンスはドイツのベルリン近郊にクリーンエネルギーセンターを設立した。このセンターはガスタービンの試験場であり、1500℃を超える高温試験が行われる予定だ。この試験の目的は、ガスタービンの燃焼プロセスを最適化し、エネルギー利用効率を向上させることです。

しかし、ガスタービンのインペラは高温合金を使用して精密鋳造されているため、インペラの製造サイクルには数か月かかり、非常に高価であり、ガスタービン製品のテストサイクルが過度に長くなります。この状況を改善するために、シーメンスはドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所と協力し、選択的レーザー溶融（SLM）3Dプリント技術を通じてガスタービンブレードの製造プロセスを最適化し、迅速な製造を実現しました。

ガスタービンが稼働しているとき、タービンブレードは高温環境にあることがわかりました。タービン内のガイドベーンは、高温のガスを動いているローターブレードに導きます。ガイドベーンは、2 つのプラットフォームと複雑な冷却構造を備えた翼で構成されています。冷却構造を備えた翼は、製造上大きな課題を伴います。

ガイドベーン部品のモジュール製造、材質：インコネル® 718
SLM 3D 印刷技術は従来のプロセスよりも複雑な部品の製造に適していますが、3D 印刷中に内部サポート構造を追加する必要があります。サポート構造が存在すると、印刷後の後続処理が難しくなります。 3D プリント中のサポート構造を最小限に抑えるために、フラウンホーファーレーザー技術研究所は、ブレードの 2 つの部分を別々に 3D プリントし、完成後に溶接するというモジュラーブレード設計コンセプトを採用しました。

完成した溶接ガイドブレード<br /> レーザー技術研究所によって改善されたプロセスチェーンにより、複雑な冷却構造を持つブレードの製造タスクが完了し、表面品質が向上しました。ガイドブレードの3Dプリントが完了した後、シーメンスは精密測定、仕上げ、高温溶接を実施しました。両者の協力により製造された機能性ブレードは広範囲にわたるテストを経ており、その過程で設計エンジニアは大量のデータを取得しました。

タービンブレードのモジュール設計と製造コンセプトは、他の複雑なコンポーネントの製造に貴重な経験を提供し、精密鋳造コンポーネントを SLM 3D プリントコンポーネントに接続する可能性も提供します。同時に、現在の金属 3D プリント装置では完成できない大型で複雑な部品については、モジュール設計と製造のアイデアからインスピレーションを得ることもできます。

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出典: 3Dサイエンスバレー

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