Eine Gasturbine ist eine komplexe Maschine, bestehend aus der Turbine selbst, einem Kompressor, einer Brennkammer und einem Generator. Sie ist eine Art Motor, der mit heißem Gas angetrieben wird. Das geht mit Erdgas, Biogas oder auch Heizöl, nicht aber mit festen Brennstoffen.
Häufig treiben Hochleistungs-Gasturbinen in Kraftwerken Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie an. Sie kommen auch in Pumpstationen von Öl- und Erdgaspipelines, in Industriebetrieben, in der Luftfahrt und als Antriebsaggregate und Stromerzeuger in der Militärtechnik zum Einsatz.
Nachdem Deutschlands Forscher im 3D-Hausdruck und 3D-Glasdruck auf internationaler Bühne überholt wurden, macht nun ein deutsches Unternehmen mit einem handfesten Projekt Furore. Die Siemens AG mit Hauptsitz in München druckt sich eine 3D-Gasturbine. Na ja, nicht gleich die gesamte Turbine, sondern erst einmal die Gasturbinenschaufeln. Doch der Anfang ist gemacht und er ist ein Durchbruch, der international große Beachtung findet. Die Praxistests wurden mit Bravour bestanden. Für das Unternehmen Siemens ist der 3D-Druck eine wichtige Säule seiner Digitalisierungsstrategie.
Bereits 2014 druckte Siemens in Berlin Kleinteile für Gasturbinen wie Brennerköpfe oder Zerstäuberdüsen. Der verwendete 3D-Drucker ist eine Laserstrahl-Schmelzanlage, das heißt, Metallstaub wird mikrometerweise Lage für Lage aufgetragen und mit dem Laserstrahl geschmolzen, so dass er sich mit der Schicht darunter verbindet. Was bisher zeitaufwändig gegossen werden musste, kommt nun innerhalb kürzester Zeit aus dem 3D-Drucker.
Auch Schaufeln für Gasturbinen wurden 2014 bereits gedruckt, allerdings nur als Prototypen. Diese hielten den enormen Fliehkräften der rotierenden Turbine noch nicht stand. Siemens-Experten schätzten seinerzeit, dass es noch fünf bis zehn Jahre dauern könne, bis die Schaufeln für den Dauerbetrieb geeignet seien.
Ganz so lange hat es nicht gedauert, wohl auch wegen Investitionen in die innovative 3D-Druck-Fertigungstechnologie. In 2016 übernimmt die Siemens AG 85 Prozent der Material Solutions Ltd. in Worcester, Großbritannien, einen der weltweit führenden 3D-Druck-Dienstleister. Dieser ist Vorreiter im Druck von passgenauen Hochleistungsbauteilen aus Metall. Eine durchaus fruchtbare Partnerschaft.
Gedruckte Gasturbinenschaufeln unter Volllast
Siemens ist ein Global Player unter anderem bei der Gasturbinenherstellung. Mit der immer weiter entwickelten 3D-Drucktechnologie wird die Produktion metallischer Bauteile flexibler, schneller und kostengünstiger.
In nur 18 Monaten entwickelte ein Projektteam aus Ingenieuren von Siemens und Material Solutions eine komplette Prozesskette für den Gasturbinenschaufel-Druck. Das Material für die Schaufeln besteht aus einer pulverförmigen, hochtemperaturbeständigen Superlegierung mit polykristallinem Nickel. So können die Schaufeln dem hohen Druck, den enormen Temperaturen und Fliehkräften, die beim Turbinenbetrieb entstehen, widerstehen.
Die zur Testvorführung verwendeten Schaufeln wurden in Worcester gedruckt. Im Siemens-Testcenter für industrielle Gasturbinen in Lincoln, Großbritannien, wurden die Tests vorgenommen. Getestet wurden mehrere Turbinenschaufeln im konventionellen Schaufeldesign und eine Schaufel in neuem Design mit verbesserter interner Kühlungsgeometrie. Unter Volllast drehte jede Schaufel über 1.600 km/h mit 13.000 Umdrehungen pro Minute und wurde dabei Temperaturen von über 1.250°C ausgesetzt. Keine Schaufel zerbrach, zerfledderte oder streikte. Ein gelungener Test vor versammelter Weltpresse und ein weiterer Schritt zur Ausschöpfung des Potentials des 3D-Drucks.
Die Projektteams entwickeln derzeit neue Gasturbinendesigns und bauen gleichzeitig die Serienfertigung von gedruckten Turbinenteilen aus.
