Andreas Fischer-Ludwig: Gasturbinenkomponenten frisch gedruckt

Die Hauptstadtregion verfügt über ein agiles Cluster Energietechnik. Ein wichtiger Akteur auf diesem Sektor ist der Gasturbinenproduzent Siemens, dessen Fertigungstechnik einen Innovationsprozeß durchläuft. 3D-Druck und Lasertechnik revolutionieren die Industrie auch in Berlin-Brandenburg.

Siemens baut in Berlin die größten und leistungsstärksten Gasturbinen der Welt. Seit 1972 hat das Gasturbinenwerk Berlin beinahe 1.000 Gasturbinen zu Kunden in mehr als 60 Länder der Welt verschifft. Im kombinierten Gas- und Dampfbetrieb erreicht das effizienteste Siemens-Modell, der sogenannte SGT5-8000H, Wirkungsgrade von mehr als 61 %. Damit kann ein einziges Kraftwerk dieser Art die Einwohner ganz Berlins mit Strom versorgen. Das Innovationstempo im Gasturbinenmarkt hat jedoch kräftig angezogen. Innovative Fertigungs­technolo­gien, wie beispielsweise der „3D-Druck“ helfen, neue Produkte zu entwickeln und die bestehende Gasturbinenflotte noch effizienter und leistungsstärker zu machen.

3D-Druck ist in aller Munde. Ob Schokolade, Action­figuren oder auch Nudeln – mittlerweile können alle erdenklichen Formen aus fast jedem Material „gedruckt“ werden. Der Bereich der fossilen Energieerzeugung ist allerdings einer der schwierigsten Anwendungsfelder für diese noch recht junge Technologie. Das Innere einer Gasturbine muss extremen Belastungen standhalten. Der bis zu 120 Tonnen schwere Rotor, das Herz der Gasturbine, dreht sich mit 3.000 (50Hz-Markt) bzw. 3.600 (60Hz-Markt) Umdrehungen pro Minute. Die Schaufeln müssen dabei Temperaturen über 1.500°C, also Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt von Eisen, aushalten. Gleichzeitig wirken auf sie Flieh­kräfte, die dem 10.000-fachen des Eigengewichts entsprechen. Diese Beispiele zeigen, welche enormen Ansprüche das Material erfüllen muss. Genau dieser Aspekt macht das 3D-Drucken zu einer besonderen Herausforderung. Siemens ist daher eines der ersten Unternehmen, die Komponenten für Kraftwerks­gasturbinen mittels ad­­ditiver Fertigungsverfahren herstellen.

Um ein digitales Modell in ein physisches Bauteil um­­zuwandeln, wird das sogenannte Selektive Laser­­schmelzen (engl. Selective Laser Melting, kurz SLM) genutzt. Dabei entsteht aus einem 3D-CAD-Modell Schicht für Schicht ein fertiges 3D-Bauteil. Der 400 Watt starke Laser in der SLM-Maschine schmilzt schicht­­weise die durchschnittlich 40 µm kleinen Pulverpartikel aus Metall.

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„Freedom of Design“. Der große Vorteil liegt in den nahezu unendlichen Gestaltungsmöglichkeiten. Bau­­teile, die durch konventionelle Herstellungs­methoden, wie Gießen, Schweißen und Drehen, nicht herzustellen waren, können mittels SLM kurzerhand realisiert werden. Komplexe Geometrien, wie zum Bei­­spiel die filigranen Kühlluftkanäle im Innern einer Turbinen­schaufel oder eines Brenner­kopfes: Mit der 3D-Technik sind neuen Gestaltungs­ansätzen keine Grenzen gesetzt.

Rapid Prototyping. Daher wird das SLM-Ver­fahren vor allem im Bereich der Prototypenentwicklung eingesetzt. Innerhalb kürzester Zeit können neue Designideen in reale Bauteile umgesetzt und überprüft werden. Um das Testen und Validieren der neuen Kom­ponenten noch schneller durchzuführen, hat Siemens im Februar 2015 ein neues Testzentrum für Ver­brenn­­ungs­­systeme (Clean Energy Center, CEC) in Ludwigs­felde eröffnet. In dem rund 40 Autominuten südlich von Berlin gelegenen Test­zentrum wird die Ver­brenn­­ungs- und dazugehörige Messtechnologie von kleinen und großen Gasturbinen überprüft und validiert. Ver­­brennung ist eine Schlüssel­technologie, wenn es um Leistung, Effizienz und Emissionen einer Gasturbine geht. Im CEC können Verbrennungsprozesse im Detail analysiert und optimiert werden. Das eigene Testzent­rum ermöglicht es darüber hinaus, die Test­­läufe un­­abhängig von externen Prüfeinrichtungen durchzuführen. Das geht schneller, ist kostengünstiger und gewährleistet Know-how-Schutz, als externe Einrich­­tungen mit den Tests zu beauftragen.

Nach erfolgreich abgeschlossenen Komponenten­tests, werden die neuen Modelle im standorteigenen Prüffeld oder beim Kunden vor Ort in einer komplett montierten Anlage erprobt. Das Testen und Validieren wird so in den gesamten Entwicklungsprozess in­tegriert und nicht wie bisher zur finalen Überprüfung des Designansatzes genutzt. Prototypen können so binnen weniger Monate hergestellt und bewertet werden. Das entspricht einer Verkürzung des Ent­wicklungszyklus um 75 %.

Rapid Repair. Siemens setzt die SLM-Technologie im Bereich der Gasturbinenproduktion aber nicht nur zur Prototypenherstellung ein. Mittlerweile können bestimmte Komponenten bereits serienmäßig gefertigt werden und kommen bei Wartungs- und Reparaturarbeiten im Service zum Einsatz, wie zum Beispiel Brennerköpfe der SGT-1000F-Baureihe. Der Aus­­tausch des Verschleißteiles kann so in erheblich kürzerer Zeit realisiert werden – Zeit, die direkt dem Kunden zu Gute kommt.

Zukunftsvision. Aufgrund der Beschaffenheit der heutigen SLM-Maschinen und den hohen Belastungen, denen die Bauteile im Gasturbinenbetrieb stand­halten müssen, gibt es derzeit noch Grenzen, was die Größe und das Material der Komponenten angeht. Eine große Herausforderung der Zukunft ist es, Schaufeln aus hochwarmfesten Materialien zu drucken, die nicht nur den Kurzzeittests im CEC oder im Prüffeld standhalten. In nicht allzu ferner Zukunft jedoch sollen Schaufeln aus hitzebeständigem Material gedruckt werden, um sie dauerhaft in Gasturbinen einsetzen zu können.

Eines hat die neue Fertigungstechnologie bereits gezeigt: Der beschleunigte Innovationsprozess bringt erhebliche Einsparungen bei der Entwicklungs­zeit und ermöglicht innovative technologische Verbes­se­rungen. So erhalten Siemens-Kunden effizientere, flexiblere und umweltfreundlichere Gasturbinen.

Fischer_LudwigAndreas Fischer-Ludwig
Der studierte Maschinenbauingenieur arbeitet seit 1987 im Siemens-Konzern und hatte bisher verschiedene Führungspositionen im strategischen und technischen Bereich. Aktuell verantwortet er als Leiter Manufacturing Development & Indus­trialization das Zukunftsthema Selective Laser Melting (SLM) für die großen Gas­­turbinen der Siemens AG. Fischer-Ludwig ist Mitglied der Betriebsleitung des Gasturbinenwerks Berlin.