ORNLが初めて大型金属タービンブレードを3Dプリント

2023年12月17日、アンタークティックベアは、米国エネルギー省傘下のオークリッジ国立研究所（ORNL）の研究チームが大きな進歩を遂げ、3Dプリント技術を使用して発電所用の大型回転蒸気タービンブレードを生産した世界初のチームになったことを知りました。

△WAAM 3Dプリンティング技術このプロジェクトはシーメンステクノロジー（シーメンスの米国研究開発センター）が主導し、25ポンドを超える重量の主要部品を製造する際のアーク積層造形（WAAM）技術の実現可能性を実証しました。これらの部品は伝統的に鋳造および鍛造設備に依存しており、その生産は主に米国外に移転しました。

「国内のサプライチェーンでは、100ポンドや200ポンドを超える鋳物や鍛造品の小ロット供給が困難になっていることが分かりました」と、ORNLの堆積科学技術グループの主任研究員兼リーダーであるマイケル・カーカ氏は述べた。「特に国際紛争が重要な物質の国際移動にどのような影響を与えるかを考えると、私たちは難しい立場に立たされています。」

WAAM テクノロジーは、ロボットアームの制御下で電気アークを使用して金属線を溶かし、金属を層ごとに堆積させて目的の形状にします。印刷された部品は、最終設計の要件を正確に満たすように精密に機械加工されます。タービンブレードの製造に使用されるワイヤーアーク技術は、リンカーン・エレクトリックとの共同研究開発契約に基づいて開発されました。

エネルギーとWAAMテクノロジー

アーク積層造形技術は実績のある溶接プロセスに基づいており、既存の部品の修理に特に適しています。この利点により、シーメンスエナジーなどの企業は、電力会社とのサービス契約に従って、機器をより簡単に保守およびアップグレードできるようになります。

シーメンスは2019年にアーク積層造形法の研究を開始した際、主に部品の修復に重点を置いていました。しかし、COVID-19パンデミックの影響で、新たに鋳造された蒸気タービンブレードの納期が2年に延びたため、プロジェクトの範囲が拡大されました。キルカ氏は、これらのタービンは天然ガス、石炭、原子力発電所で広く使用されているため、このプロジェクトは完全な交換部品の印刷まで含めてさらに発展させることができると指摘した。

オークリッジ国立研究所の研究者たちは、この材料を詳しく調べ、印刷された部品の機械的特性を評価するためのより正確な方法を開発した。こうした研究努力の成果として、鋼合金製の大型蒸気タービンブレードが生まれました。

「当初の計画では、ブレードの上部 25% のみを印刷する予定でした」と、シーメンステクノロジーズのシニアプリンシパルスペシャリストである Anand Kulkarni 氏は述べています。「しかし、オークリッジ国立研究所のアークプリンティング装置の潜在能力に気づいたとき、ブレード全体を 1 度に製造できると確信しました。製造プロセス中に部品をスキャンすると、機械加工スタッフにとって重要な正確なデータが得られ、生産サイクルタイムの短縮に役立ちます。」

△WAAM 3Dプリント技術で一気に作るタービンブレード
大型タービンブレードの製造を2週間以内に完了

大型の鋳造品や鍛造品のリードタイムは 7 ～ 8 か月に短縮されましたが、ORNL はわずか 12 時間でブレードを 3D プリントすることができました。機械加工も含めたブレード全体の製作は2週間以内に完了できると報告されている。 Antarctic Bear は、この技術の反復と更新により、製造時間をさらに短縮できると考えています。

キルカ氏は、ワイヤーアーク積層造形法はよく知られた3Dプリント技術だが、これほど大きな回転部品の製造に使用されたことはこれまでなかったと指摘した。タービンブレードには通常、平行面や垂直面がなく、そのプロファイル曲線は先端に向かって細くなっています。「特徴を特定せずに部品を印刷して仕上げるのは困難です」と彼は言いました。さらに、このサイズの重い部品は冷却が遅いため、堆積層の速度と順序に対する感度が高まります。

部品が加工された後、シーメンスは電力研究所と協力して非破壊検査とテストを実施しました。「従来の製造方法と結果がどう違うのかを知るために、材料の特性をまだ研究中です」とキルカ氏は語った。ただし、修理の場合、属性がまったく同じである必要はありません。課題は、エンジンを稼働させ、ダウンタイムを回避することです。「部品の品質が高ければ、オンデマンド製造のさらなる普及に道が開かれ、このケーススタディではすでに大型部品の生産への道が開かれている。」

この技術の応用が成功すれば、主要なエネルギー部品の製造効率と柔軟性が向上するだけでなく、エネルギー業界における 3D プリント技術のさらなる応用の基盤も築かれます。

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