シーメンス・エナジーはガスタービン部品に積層造形を採用

出典: ACT Laser World
原著者: Andreas Thoss 他

シーメンスエナジーは、電化の黎明期に設立され、電化の進展とともに成長を続けてきた大手テクノロジー企業のひとつです。同社は、新技術の定期的な評価とタイムリーな導入により、1 世紀以上にわたって技術開発の主導的地位を維持してきました。今回は、シーメンスエナジーのガスタービン部品の積層造形についてご紹介します。

シーメンスエナジーの付加製造<br /> シーメンスエナジーの SGT6-9000HL ガスタービンは重量が 497 トン (1,095,000 ポンド) で、593 メガワットの電力を生成します。複合サイクルでは 63% を超える効率を達成できます。効率性の小さな改善はどれも非常に価値があり、ダウンタイムを最小限に抑え、耐用年数を長くすることも重要です。しかし、これらの目標には矛盾があります。ガスタービンの効率は燃焼温度の上昇とともに増加しますが、温度の上昇によりガスタービンの性能は低下します。

シーメンス・エナジーは数年前、燃焼温度を高めてメンテナンス時間を短縮するためにタービン部品の製造に積層造形（AM）技術を導入し、2025年までに約200個の部品の製造にAM技術を適用する計画だ。

2019 年 4 月、シーメンスエナジーでは 20 人以上の従業員がベルリンで積層造形技術にフルタイムで取り組んでいました。これは、ガス、電力、関連サービスに積層造形を導入するというシーメンスエナジーのグローバル戦略の一環であり、スウェーデンのフィンスポング、英国のウースター、米国フロリダ州オーランドの 3 か所に大規模な積層造形センターが設置されています。ベルリンのチームは、積層造形用の材料認定と、AM 技術と従来のサービスおよび生産プロセスの統合に重点を置いています。

AM を標準的な製造ルートにする<br /> Siemens Energy では、迅速な技術検証、製品生産、コンポーネント修理という製品バリューチェーンの 3 つの異なる段階で AM テクノロジーが導入されています。近年、AM ベースのラピッドプロトタイピング技術が確立され、新しいブレード冷却コンセプトを数年ではなく数か月で評価できるようになりました。

この技術革命の主な原動力は、従来の鋳造をレーザー粉末床溶融結合法 (L-PBF) に置き換えたことであり、これにより多くの時間が節約されます。レーザー粉末床溶融結合法は、選択的レーザー焼結 (SLM) とも呼ばれ、粉末床内でコンポーネントを徐々に成形する手法です。 AM は、たとえば順次的な開発ステップを並列プロセスに変換するなど、まったく新しいワークフローをもたらし、根本的な構造変更を通じて、これまで時間とコストがかかっていた製品開発目標を迅速に達成することを可能にします。このように、AM は開発サイクル時間を 75% 短縮すると同時に、高温ガス部品 (タービンブレードなど) と燃焼器部品のコストを大幅に削減します (図 1)。

図1メンテナンスと修理のために積層造形されたバーナーノズルとタービンブレードAMを備えたSGT5-8000Hガスタービン<br /> シーメンスエナジーは、2013 年に早くも AM テクノロジーを製品のメンテナンス、修理、オーバーホールプロセスに導入しました。プロトタイピングと同様に、メンテナンスおよび修理分野における AM 技術の導入の主な推進力は、リードタイムとコストを大幅に削減できる可能性です。さらに、従来の保守プロセスの更新と置き換えにより、主要コンポーネントの設計アップグレードも可能になります。部品の修理における AM の応用は、AM 技術を研究室から産業用途へと変革する画期的なポイントです。

典型的な例はバーナーエンドの修理で、AM 技術により従来の修理技術に比べてリードタイムが 90% 短縮されます。バーナーの端部は燃焼室内の高温ガスと熱放射にさらされます（図2）。端部から10 mm以内の領域は衝撃を最も受けやすく、疲労や酸化の原因となることがよくあります。従来の修理方法は、バーナーの端から120mmの損傷部分（図2の赤線）を切断し、新しいバーナーパイプ（燃料パイプと計器を含む）を溶接するというものでした。

図 2 ガスタービンバーナーの修理シーメンスエナジーは、SLM 装置の開発に基づいて、コンポーネントの信頼性を完全に維持しながら修理プロセスをより迅速かつ経済的にするマッチング AM プロセスを開発しました。 SLM を使用してバーナーを修理する場合は、バーナーの上部から損傷した領域を 20 mm 切り取るだけで済みます (図 2 の紫色の線)。次に、修理する前処理済みのバーナーを SLM 装置に入れます。装置に搭載されたカメラは、バーナーの端部の表面位置を正確に識別し、対応する CAD 修理モデルを生成します。その後、修理するバーナーの表面に新しい端部が徐々に製造されます。

修復プロセスの開発には、品質保証と検査方法、粉末の回収と再利用、機械的完全性の計算など、その他のサポート技術も含まれます。さらに、SLM マシンは、720 mm バーナーとカメラシステム全体に対応できるように調整する必要がありました。 SLM 装置を変更すると、粉末の取り扱いや装置内の空気の流れに影響が及びます。

このプロセスの品質保証システムは、各バーナー修理のすべての条件、プロセス設定、粉末バッチにおけるプロセスの信頼性とテスト量の完全なトレーサビリティを確保するために開発されました。このデータを追跡するために、シーメンスエナジーはデジタルソリューションを採用し、シーメンスエナジー Simatic IT「統合アーキテクチャ (UA)」の最新標準に基づく製造実行システム (MES) を導入しました。

シーメンスエナジー AM 修理修理されたバーナーは、35,000 時間以上、故障なく稼働しています。さらに、修理され稼働したバーナーは、厳格な非破壊検査と破壊検査を受けています。検査試験の結果、酸化層の深さは50μmに達し、ガイド穴とバーナー先端間の補修材の硬度はほとんど変化していないことが分かりました。 SLM プロセスは現在成熟した技術とみなされており、バーナーの修理に最適なプロセスとなっています。

シーメンスエナジーは、粉末床ではなくノズルから噴射される粉末を使用して構造部品を作成するレーザー金属堆積 (LMD) などの他の修復方法も認定しています。シーメンスエナジーは、従来の溶接技術に代わるブレードの修理に LMD 技術を採用しました。

AM部品製造
AM はスペアパーツの製造において特に魅力的であり、製造中止になった部品の製造や、リバースエンジニアリングに基づく部品製造にも使用できます。鋳造プロセスと比較すると、AM はリードタイムがはるかに短く、基本的にツールを必要としないプロセスです。少量の部品の製造では経済的メリットが特に大きいですが、後処理によってコストが増加します。 AM の潜在能力を最大限に引き出すには、構造設計の最適化が必要です。

燃焼システム部品の積層造形は、構造が複雑なため、非常に興味深いものとなります。一例として、SGT-1000F ガスタービン燃焼ヘッドの積層造形が挙げられます (図 3)。このコンポーネントは、パイロットバーナーの一部であり、燃料と空気を混合してパイロット炎を生成します。伝統的には、ニッケルベースの高温合金から作られた精密鋳造品です。

図3 SLM技術を使用して製造された燃焼ヘッド AMプロセス全体の開発には、SLMプロセスパラメータの設定、材料データの評価、性能評価、事前認定、プロセスおよび製品の認定（PPQ）などのステップが含まれます。

プロセス開発中に 2 つの印象的な発見がありました。まず、積層造形部品のプロトタイプを鋳造標準部品と比較したところ、SLM 部品の静的機械特性と疲労特性が大幅に改善されていることがわかりました。さらに寸法テストを行ったところ、積層造形部品の最大偏差は 0.2 mm であり、鋳造品の成形精度よりもはるかに高いことが判明しました。

プロセスの事前認定段階では、必要なサポート構造を含む部品の最適な印刷パス計画を取得するために製造試験が実行されます。これらは最終的な印刷時間と主なコスト要因に密接に関係しています。その後のプロセスと製品の認定では、熱処理、印刷された部品の基板からの分離、非破壊検査など、必要なすべての後処理手順を含む製造プロセス全体のセットアップが調査されました。

シーメンスエナジーは現在、すべての出力クラスをカバーする AM 製造の燃焼器コンポーネントを複数市販しており、コスト削減と性能向上を実現しています。たとえば、AM 最適化設計の採用により、SGT-700/800 ガスタービン燃焼器のリードタイムは当初の約 15% に短縮されました。

概要と要件
AM により、まったく新しい設計構造が可能になり、タービンの効率とコンポーネントの耐久性をさらに向上させる上で決定的な役割を果たします。したがって、より高い温度に耐え、より高い効率を達成する新しいタービン部品を開発および製造するには、AM 技術に代わるものはほとんどありません。

さらに、シーメンスエナジー製品のアフターサービスやメンテナンスにもAMが導入され、修理プロセスがますます成熟してきました。 AM技術をベースにした「オンデマンドスペアパーツ」というコンセプトも推進されており、これらのAM製パーツは故障することなく何千時間も稼働し続けています。

AM 技術は、タービン製造などの分野ですでに試作、生産、メンテナンスに活用されています。シーメンスエナジーの最終目標は AM テクノロジーを今日の紙への印刷と同じくらい簡単にすることですが、AM プロセスの開発中にいくつかの問題が発生しました。

標準的な AM 装置とそのプロセスを標準化する必要があります。多くの AM 機器メーカーは自社製品の市場にのみ焦点を当てており、商業的な製造やメンテナンスの要件や標準にはほとんど注意を払っておらず、標準化された SLM ファイルを開発して公開することができない、またはそうする意欲がありません。従来の溶接技術の分野では、溶接手順仕様は標準化する必要がある非常に重要な文書です。したがって、AM の分野では標準化に十分な注意を払う必要があります。

品質管理。さまざまな AM プロセスの品質評価には、多数のテストサンプルを準備する必要があります。さまざまなセンサーから生成されるビッグデータやデジタルツイン技術に基づくソフトウェアを品質管理に活用することで、時間と資材を節約し、生産性を大幅に向上させることができます。

ソフトウェア。エンジニアリングから製造まで、複数の異なるソフトウェアパッケージを 1 つのプラットフォームに統合する必要があります。ラピッドプロトタイピングでは、高度なシミュレーションソフトウェアを使用して、熱の流れと、その結果生じる歪みや反りを分析できます。シミュレーションと実際の製造結果を比較することで、エンジニアはプロセスを迅速かつタイムリーに検証および最適化できます。

生産プロセスでは、ワークフローに応じてさまざまなシステムを接続することが非常に重要です。元の部品は通常の CAD プログラムで設計できますが、AM 製造には 2 番目のツールで設計されたサポート構造が必要です。実際の AM マシンでは、サードプログラムの CAM ファイルも必要になる場合があります。 Siemens Energy は、CAD、CAE、CAM モジュールを接続する NX システム内に特定のツールスイートを開発しました。

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