付加製造は発電システムに革命をもたらし、ガスタービンや原子力発電のアプリケーションで設計の可能性を飛躍的に広げます。

2022年5月3日、アンタークティックベアは、オークリッジ国立研究所が大手メーカーと協力して、従来の金属3Dプリント部品をガスタービンや原子力発電に使用することの実現可能性を検証しており、これにより、その後の非従来型部品の開発にも道が開かれることを知りました。
開発された部品の実現可能性が証明されれば、積層造形（AM）が発電システムに新たな可能性をもたらすことは間違いありません。複雑な 3D プリント部品の形状は電力効率の向上と製造コストの削減を約束しますが、地域社会や産業施設に安全で信頼性の高い電力を供給するシステムに関しては、AM はまずインフラ製造におけるその可能性を証明する必要があります。
ガスタービンと原子力発電の分野では、オークリッジ国立研究所の製造デモンストレーション施設 (MDF) が、従来の製造部品の設計と仕様に基づいて 3D プリント部品を製造し、意図された用途に直接検証できるようにしています。同時に、AM は部品の設計の自由度を高めることもできます。

ガスタービン用タービンブレードの製造<br /> ガスタービンアプリケーションは、タービン製造業者 Solar Turbines とのコラボレーションです。 MDF は、Solar Turbines のテスト装置で評価するために、Arcam (GE Additive の子会社) の機械で電子ビーム溶解法を使用して約 300 枚のタービンブレードを製造しました。発電に使用されるタービンシステムは、基本的に、高温の加圧ガスを使用して回転軸を回転させる大型の機械です。タービン内部にはこのようなブレードがたくさんあり、数百枚、あるいはそれ以上あるかもしれません。現在、これらのブレードは鋳造と機械加工によって製造されていますが、積層造形による製造には大きな可能性があり、これは積層造形がその価値を証明しなければならない分野です。
タービンブレードの設計には、確立された材料であるインコネル 738 を含め、独自の従来の設計および製造システムがあります。この合金は、EBM の高温で製造する必要があるため、3D プリントするのが困難です。 Arcam 電子ビーム溶融プロセスでは、加熱された粉末ベッドの温度は約 1000 ℃ ですが、これは通常、レーザー粉末ベッドプロセスでは発生しません。これが重要になる理由の 1 つは、プログラムで使用されるインコネル 738 材料が、タービンブレードに使用される他の鋳造材料と類似しているためです。タービンブレードは、液体から固体に冷却される際の熱応力によって、欠陥や亀裂が発生しやすい傾向があります。熱源である電子ビームを迅速に制御するこの機能を活用することで、部品に発生して亀裂の原因となるさまざまな熱勾配を抑制または排除し、欠陥のない部品を製造することができます。しかし、将来的には、AM 用に設計されたタービンブレードには、より多様な合金が使用されるようになると予想されます。
△MDFは、ソーラータービンの3Dプリントタービンブレードの性能テスト用に、EBMを通じて数百のタービンブレードを製造しました。
原子力発電への応用<br /> 原子力発電用途では、オークリッジは原子力産業メーカーの Framatome と協力し、Concept Laser (GE Additive 社製) の機械でレーザー粉末床溶融結合法によって 316 ステンレス鋼ブラケットのセットを作成しました。これらのブラケットは、アラバマ州ブラウンズフェリー原子力発電所の核燃料集合体を固定するのに役立ちます。評価は2027年に行われ、6年間の運用後、スタンドは撤去され、検査のためにオークリッジに送り返される予定だ。
△3Dプリントされたステンレス製ブラケットは現在原子炉で稼働しており、設計は複雑ではないが、応用の見通しは良好である。これらは、原子炉部品の製造における AM の使用を検証するのに役立ちます。
ガスタービンと原子力発電の両方の用途は、基本的な疑問に直面しています。積層造形法を使用して製造された金属部品は、従来の製造プロセスを使用して製造されたものと同等の信頼性と堅牢性を保証できるのでしょうか?
長期にわたる実践により、この探究が正しいことが証明されました。オークリッジ・リサーチ社の材料科学者マイク・カーカ氏がタービンブレードの開発に取り組みました。 AM により、タービン製造業者はより効率的な冷却方式のための新しい設計パラダイムを切り開くことができ、エンジンの高温部分にあるタービンブレードを内部冷却しながらより高温の動作環境で動作させることができるようになる、と彼は述べた。これにより、エンジン自体のエネルギー効率から、より耐久性の高いコンポーネントとより長い耐用年数まで、さらなる利点がもたらされます。
△ タービンブレードオークリッジ研究所の堆積学および技術グループの責任者であるライアン・デホフ氏は、原子力発電用ブラケットの研究に取り組んでいます。同氏は、「原子炉は本質的に非常に大規模な熱交換器です。積層造形により、より効率的な熱伝達のために非常に複雑なデザインを印刷できます。積層造形技術は原子力産業に非常に大きな影響を与える可能性があると思います。課題は、部品を認証および認定する必要があることです。」と述べています。

付加製造は発電システムに革命をもたらし、ガスタービンや原子力発電のアプリケーションで設計の可能性を飛躍的に広げます。

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