Fallstudie Prozesskettendarstellung am Beispiel eines Swirlers Stationäre Gasturbine zur Effizienzsteigerung bei der Brennstoffeinspritzung

Transkript

1 Fallstudie Prozesskettendarstellung am Beispiel eines Swirlers Stationäre Gasturbine zur Effizienzsteigerung bei der Brennstoffeinspritzung Additive Fertigung in der Energietechnik

2 PRÄWEST Seit der Gründung im Jahr 1945 hat sich PRÄWEST als dynamisches und innovatives Unternehmen stetig weiterentwickelt. Der Lohnfertiger für den Bereich Aerospace und Turbo Machinery hat sich auf die Nachbearbeitung komplexer Bauteile spezialisiert. In dem hochmodernen Maschinenpark kommen die Verfahren Fräsen, Drehen und Schleifen zum Einsatz, wofür 130 CNC-Fräsmaschinen und 24 Roboter zur Verfügung stehen. PRÄWEST investiert kontinuierlich in neue Technologien, um die Anforderungen der Kunden erfüllen zu können. Das simultane Fünf-Achs-Fräsen für komplexe Bauteile aller Industrieanwendungen stellt eine der Produktionsschwerpunkte des Unternehmens dar. Es können dabei Bauteile bis zu einem Durchmesser von mm und einem Gewicht von 15 Tonnen in fünf Achsen gefräst werden. Ein hervorragender Kundenservice steht für PRÄWEST an erster Stelle: 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr arbeiten die hochqualifizierten Mitarbeiter an den verschiedensten Kundenwünschen. Eine dauerhafte, langjährige und vertrauensvolle Zusammenarbeit mit den Kunden und Dienstleistern sichert den Erfolg des Unternehmens dafür steht auch das Synonym PRÄWEST-like. Zur Herstellung einer modifizierten Brennstoffdüse hat sich PRÄWEST für das SLM Verfahren entschieden. Dieser sogenannte Swirler dient der Einspritzung und optimalen Verteilung des Brennstoffes in der Brennkammer. Entscheidend ist hierbei, den Brennstoff so zu verteilen, dass eine gleichmäßige, schnelle und vollständige Verbrennung möglich ist. Der Swirler wird aus der Nickelbasislegierung IN 718 gefertigt. Das Material zeichnet sich vor allem durch seine hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Dabei weist der Werkstoff im SLM Verfahren typischerweise eine Zugfestigkeit (Rm) von N/mm² auf.

3 Prozesskette der metallbasierten additiven Fertigung 01 Pre-Prozess Produktidee Konstruktion eines 3D-Modells / Erzeugung eines Volumenmodells STL Datei Maschinen- und Datenvorbereitung STL Datei Datenvorbereitung Baujob-Datei Maschinenvorbereitung Vorbereitete Maschine PRÄWEST hat sich zur Herstellung des Swirlers für das SLM Verfahren entschieden. Die gesamte Prozesskette des additiven Herstellungsverfahrens unterteilt sich in drei Schritte: Pre-Prozess, In-Prozess und Post-Prozess. Die Grundlage eines jeden Bauteils stellt die Konstruktion eines 3D-CAD-Modells dar, das individuell nach den Bedürfnissen und Anforderungen des Kunden angefertigt werden kann. Anschließend erfolgt der Datenaustausch zwischen der CAD-Software und der Bearbeitungssoftware Magics. Bei der darauffolgenden Datenaufbereitung werden die Maschine und die Werkstoffe ausgewählt und die Bauteile auf der Substratplatte positioniert. Diese können sowohl neben- und ineinander (engl. nesting) als auch übereinander (engl. packing) angeordnet werden. Durch die optimierte Bauteilanordnung sowie die simultane Fertigung lassen sich erhebliche Kosteneinsparungen erzielen, da sich die Rüst- und Nebenzeiten je gefertigtem Bauteil reduzieren. Die Erzeugung von Stützkonstruktionen (engl. Supports) dient der Fixierung und Stabilisierung der Bauteile sowie der Wärmeableitung während des SLM Prozesses. Die prozessrelevanten Parameter, wie Belichtungsvektoren, Belichtungsgeschwindigkeit, Laserleistung und Schraffurabstand, werden anschließend im SLM Build Prozessor automatisch oder auf Wunsch individuell generiert. Die gewählten Parameter bestimmen die Dichte, Oberflächengenauigkeit sowie die mechanischen Eigenschaften des Bauteils. Nachdem das Bauteil parallel zur Substratplatte in einzelne Schichten unterteilt wurde ( slicen ), folgt anschließend die Schichtdatengenerierung ( hatchen ). Dabei hat die Schichtdicke (üblicherweise µm) einen erheblichen Einfluss auf die Bauteilqualität in Bezug auf die Formgenauigkeit und die Oberflächenqualität des Bauteils sowie auf die Bauzeit. Parallel zur Datenaufbereitung erfolgt die Maschinenvorbereitung.

4 02 In-Prozess Selektives Lasern Bauprozess Fertiger Baujob Absenken der Plattform Beschichten Repeat until finished Laser 3D-Optics Laser 3D-Optics Laser 3D-Optics supply supply supply layer layer Der In-Prozess umfasst das Starten der Baujobdatei auf der Maschine und den Bauprozess mit der schichtweisen Erzeugung des Bauteils. Die Maschinenbedienung erfolgt auf einer Windowsbasierten Bedieneroberfläche. Der Bauprozess setzt sich aus dem zyklischen Beschichten und Belichten des Metallpulvers zusammen. Dieses wird lokal entlang der im Pre-Prozess definierten Bauteilkonturen und Flächenbereiche aufgeschmolzen. Anschließend wird der Hubtisch, mitsamt der Substratplatte, um eine Schichtdicke abgesenkt und eine neue Pulverschicht wird aufgetragen. Diese Prozessfolge wiederholt sich, wobei sich die Geometrien der aktuellen Schicht mit der vorherigen verbinden. Ist die letzte Schicht des Bauteils erreicht, ist der Baujob beendet.

5 03 Post-Prozess Auspacken Auspacken des fertigen Baujobs Entfernen des Bauteils Entfernen des Bauteils von der Substratplatte Entfernung der Supports Verputzen der Kanäle Fertigdrehen Fertigdrehen Qualitätssicherung Qualitätssicherung FERTIGES BAUTEIL Nach dem Entfernen des nicht belichteten Pulvers aus dem Bauraum wird dieses gesiebt und kann wiederverwendet werden. Die Substratplatte mit dem darauf befindlichen Teil wird aus der Maschine entfernt und anhaftendes Pulver abgesaugt. Je nach Anforderung kann zu diesem Zeitpunkt optional eine Wärmebehandlung erfolgen. Nach dem Abtrennen des Bauteils von der Substratplatte werden die Supportstrukturen innerhalb des Strömungskanals händisch entfernt. Anschließend erfolgt das sogenannte Verputzen die Oberflächen im Kanal werden manuell auf die geforderte Rauheit geschliffen. Optional besteht die Möglichkeit einer maschinellen Oberflächenbearbeitung. Im nächsten Arbeitsgang, dem Fertigdrehen, werden Passungen sowie die endgültige Außenkontur des Bauteils erzeugt. Eventuell noch vorhandene Supportstrukturen im Bereich der Außenkontur werden dabei entfernt. Die Endprüfung stellt den letzten Arbeitsschritt der Nachbearbeitung dar. Dabei wird über entsprechende Messmittel, Koordinatenmessmaschinen sowie mittels optischem 3D-Scan sichergestellt, dass das Bauteil alle Anforderungen aus Kundenzeichnung und -modell erfüllt.

6 Vorteile der SLM Technologie Kosteneinsparungen Durch den Einsatz der SLM Technologie zur Herstellung des Swirlers konnten die Kosten um mehr als 65 Prozent gesenkt werden. Die Einsparung von zwei Prozessschritten führte außerdem zu einer Reduzierung der Produktions- Durchlaufzeiten von mehr als 50 Prozent. Funktionalität Die für die SLM Technologie charakteristische Geometriefreiheit hinsichtlich des Bauteildesigns ermöglicht die Steigerung der Bauteilfunktionalität. Die Verwendung der SLM Technologie führt in dem hier vorliegenden Beispiel zu einer Optimierung der Geometrie des Swirlers. Durch die Verwendung einer internen Gitterstruktur und zusätzlichen Kanälen lässt sich eine Funktionsoptimierung und -integration erzielen. Die Gitternetzstruktur ermöglicht eine Gewichtsreduktion des Bauteils und somit eine Verringerung des Materialeinsatzes und des Rohstoffbedarfs. Effizienz Freiheitsgrade bei der Konstruktionsänderung ermöglichen die Integration neuer Funktionen. In dem vorliegenden Fallbeispiel konnte hiermit der Wirkungsgrad des Turbinensystems und somit die Effizienz des Bauteils durch den Einsatz der SLM Technologie verbessert werden. Unterstützt wird dies durch die hohe Prozessflexibilität des SLM Prozesses. Die werkzeuglose Fertigung ermöglicht die Umsetzung der Konstruktionsänderungen und zeichnet sich dabei durch seine geringe Kosten- und Zeitintensität aus. Das SLM Verfahren eignet sich somit für die Einzel- und Serienfertigung von Bauteilen. Flexibilität Der Einsatz der SLM Technologie ermöglicht die Umsetzung konstruktiver Änderungen, die mittels konventioneller Fertigungsverfahren aus wirtschaftlichen oder technologischen Aspekten nicht durchführbar sind. Da diese in der SLM Prozesskette wenig zeit- und kostenintensiv sind, ist eine flexible Anpassung günstiger und effizienter zu realisieren. Zeitersparnis Die Realisierung kürzerer Prozessdurchlaufzeiten stellt eine der wesentlichen Stärken der SLM Technologie dar. Diese können aufgrund einer hohen Fertigungstiefe im SLM Prozess realisiert werden, da Nebenzeiten wie Umspann und Einrichten entfallen. Der Anteil, der im Pre-Prozess anfallenden Prozessschritte, kann in einer Serienproduktion um bis zu 50 Prozent reduziert werden. Die zeit- und kostenintensive Datenaufbereitung, die zu den Stützprozessen des Produktionsprozesses zählt, entfällt nahezu vollständig. DEUTSCHLAND ÖSTERREICH FRANKREICH ITALIEN USA SINGAPUR RUSSLAND INDIEN CHINA SLM Solutions Group AG Estlandring Lübeck Deutschland Fon Fax SLM und SLM Solutions sind eingetragene Marken der SLM Solutions Group AG. SLM Solutions Group AG 422DE PRÄWEST