Metaal 3D-printen, een kerntak van additive manufacturing, maakt gebruik van digitale modellen om het smelten en stapelen van metaalpoeders laag voor laag te sturen om solide componenten te creëren. Tot de basisbewerkingen behoren het smelten van elektronenstralen (EBM) en het selectief lasersmelten (SLM). Bij SLM worden laserstralen met hoge-energie gebruikt om metaalpoeders te smelten, waardoor laag{4}}voor-laag complexe structuren kunnen worden opgebouwd door nauwkeurige controle van de laserscanpaden. Gebaseerd op de aanpak van Siemens Energy combineert de SLM-gebouwde gasturbinebrander 13 gelaste componenten in één enkele eenheid, waardoor de levensduur en betrouwbaarheid van de componenten aanzienlijk wordt verlengd.
Er zijn drie belangrijke voordelen van deze technologie: ten eerste wordt meer dan 95% van het materiaal gebruikt, wat veel beter is dan de 60%-70% die wordt gebruikt bij reguliere gietmethoden; ten tweede kan het complexe vormen creëren die moeilijk te maken zijn met traditionele methoden, zoals honingraatpatronen voor koeling in cilinderkoppen van motoren; en ten derde kunnen onderdelen door het optimaliseren van het ontwerp 30%-70% lichter worden gemaakt terwijl ze nog steeds sterk zijn. Met behulp van 3D-printen op metaal heeft het onderzoek van Siemens Energy aangetoond dat het gewicht van cilinderkoppen is gedaald van 5095 gram naar 1755 gram, waardoor het volume met 65% is verminderd en de efficiëntie van de warmteafvoer met 40% is toegenomen.
Via Materials Solutions heeft Siemens Energy een productiesysteem ontwikkeld dat negentig industriële metaal-3D-printers omvat. Met behulp van SLM-technologie zijn de gemaakte gasturbinebladen ontworpen om de luchtstroom binnenin te verbeteren door de natuur na te bootsen, waardoor brandstof efficiënter wordt verbrand en de behoefte aan koellucht wordt verminderd. De technologische nieuwigheid ligt in materiaalinnovatie: de creatie van op nikkel-gebaseerde legeringspoeders die geschikt zijn voor hoge- temperatuuromstandigheden, die een levensduur van 100.000 uur bij 650 graden kunnen behouden.
De productie van mesflitsers op maat is mogelijk gemaakt door middel van 3D-metaalprinttechnologie om de uitdagingen van de conventionele mesproductie, die afhankelijk is van mallen en hoge kosten met zich meebrengt, aan te pakken. Het topologische optimalisatieontwerp heeft het gewicht van de bliksemafleider met veertig procent verminderd en de installatie-efficiëntie verdrievoudigd. Deze technologie kan de onderhoudskosten met 20% verlagen en de algehele levensduureconomie van energieproducerende apparatuur in de context van offshore windenergie aanzienlijk verbeteren.
3D-metaalprinten heeft in de evolutie van microturbinemotoren het uitdagende probleem van het bewerken van microkanalen opgelost, dat moeilijk te bereiken is met conventionele methoden. UVoor een microlucht-turbine van 50 mm bijvoorbeeld is de wanddikte van het koelkanaal geproduceerd door 3D-printen slechts 0,3 mm, waardoor de koelefficiëntie met 50% wordt verbeterd en een vermogensdichtheid wordt verkregen die drie keer hoger is dan bij conventionele ontwerpen.
Drie dimensies weerspiegelen de drie-voudige toepassingswaarde van 3D-printen met metaal in de energiesector:
Volgens de praktijken van Siemens Energy is het apparatuurgebruik met 200% gestegen, terwijl de productiecyclus voor brandercomponenten gemaakt met 3D-printen is teruggebracht van 12 weken bij conventionele methoden naar 4 weken. De op maat gemaakte productie van blade flashers heeft de leveringscyclus in de windenergiesector teruggebracht van 60 dagen naar slechts 7 dagen, waardoor wordt voldaan aan de vraag naar snelle reacties in de markt.
De directe verlaging van de productiekosten is het resultaat van een verbeterd gebruik van materialen. Met gasturbinebladen als voorbeeld verspillen conventionele giettechnieken tot 30% van de materialen, terwijl 3D-printen slechts 5% verlies aan ondersteunende materialen oplevert. In de sector van de exploitatie en het onderhoud van energieapparatuur heeft de 3D-printtechnologie de responstijden voor onderhoud teruggebracht tot binnen 24 uur en de voorraadkosten voor reserveonderdelen met 40% verlaagd.
Het ontwerp voor topologie-optimalisatie vergroot het warmteafvoeroppervlak van de cilinderkop van de motor met 80%, wat resulteert in een gewichtsvermindering van 66%. Op het gebied van micro-energieapparatuur heeft de 3D-printtechnologie een nauwkeurige fabricage van microkanalen op een niveau van 0,1 mm bereikt, waardoor mogelijkheden worden geboden voor innovatief ontwerp van essentiële componenten, zoals bipolaire brandstofcelplaten.
Ondanks de grote technologische voordelen levert het gebruik van 3D-printen van metaal in de energiesector nog steeds drie belangrijke problemen op.
Het beperkte gebruik van de huidige metaalpoeders in hogedrukcomponenten is te wijten aan het feit dat hun vermoeiingssterkte 15% tot 20% lager is dan die van gefabriceerde materialen. De sleutel tot vooruitgang is de ontwikkeling van nieuwe soorten legeringen, zoals speciale titaniumlegeringen gemaakt met behulp van laser-additive manufacturing, die een vloeigrens van 900 MPa of meer kunnen bereiken.
Procesoptimalisatie moet nog steeds de maatafwijking overwinnen die wordt veroorzaakt door thermische vervorming. Door gebruik te maken van multi-natuurkundige simulatietechnologie beheert Siemens Energy de maatnauwkeurigheid van cilinderkoppen tot op ± 0,05 mm, wat 50% nauwkeuriger is dan wat conventionele methoden mogelijk maken.
Er bestaat geen branchecertificering voor de 3D-geprinte onderdelen van energieapparatuur. Het opzetten van een alomvattend systeem van processtandaarden dat materialen, procedures en testen omvat, maakt deel uit van het huidige doorbraaktraject. Voor 3D-geprinte metalen onderdelen heeft de Duitse VDI 3405-norm bijvoorbeeld de procedures voor het testen van vermoeiingsprestaties gestandaardiseerd.