3D printing for gas turbine components

VGB PowerTech 12 l 2015

Industrialisation of 3D printing (additive manufacturing) for gas turbine components repair and manufacturing

VGB PowerTech - Autorenexemplar - © 2015

Vladimir Navrotsky, Andreas Graichen and Håkan Brodin Kurzfassung

Introduction

Industrialisierung von 3D Drucken (generative Fertigung) für Gasturbinenkomponenten-Reparatur und -Herstellung

The recent advances in computing power and cheaper laser sources together with ITbased networking, open the door for a new design and manufacturing chain. 3D-CAD/ CAM models themselves contain information related to their manufacturing process, meaning that – ideally – only one file is needed to produce the component to the intended geometry, quality and material specification. Tooling and fixtures become obsolete in a blue sky scenario (F i g u r e 1). Formerly a complicated network of different competencies was needed in an advanced workshop, now it can be performed by one single “3D-printer”. In the coming years, we will see AM (additive manufacturing) as we are seing colour printing on paper, something that simply works, without much need for human intervention. There are many advantages for the designer and the supply chain: –– AM in the form of SLM (selective laser melting) gives an unprecedented freedom of design because geometries are possible that could not be accessed with traditional machining methods, –– many times, complexity of geometry comes for free, or costs the same as traditional simple geometries, –– this means that, for example, for gas turbine components cooling systems, vibration dampening and lightweight designs can be improved without extra cost, –– assemblies can be simplified and integrated, –– many manufacturing operations that earlier needed many logistical steps can be carried out on one single machine,

In den letzten Jahren hat eine neuartige revolutionäre Art der Fertigung namens Additive Manufacturing (AM) in der Industrie Einzug gehalten. Diese wird tiefgreifende Veränderungen mit sich bringen. Im Gegensatz zur traditionellen Fertigung, bei der Material durch Fräsen, Bohren, Erodieren usw. abgetragen wird, wird bei diesem Verfahren Material durch den Einsatz von Laser- oder Elektronenstrahlenergie aufgetragen. Es gibt verschiedene AM-Technologien, von denen gegenwärtig das Selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting – SLM) das interessanteste Verfahren zu sein scheint. Das AM eröffnet eine neue Dimension der integrierten Konstruktion und Fertigung. AM ermöglicht eine schnellere Fertigung und Reparatur von Gasturbinenbauteilen bei gleichzeitig größerer Funktionalität und Leistungsfähigkeit der Bauteile. Siemens Power Generation setzt diese Technologie zur Herstellung von Prototypen (Prototyping) sowie in begrenztem Umfang für Reparaturarbeiten und die Fertigung von Gasturbinenbauteilen ein [1 bis 3]. Kürzlich setzte Siemens die SLM-Technologie zur Reparatur von Gasturbinenbrennern der Industriegasturbinenbaureihe SGT-800 ein. Die Ergebnisse zeigten, dass das Ersetzen konventioneller Reparaturverfahren durch die SLM-Technologie zu einer signifikanten Verkürzung der Reparaturzeit führt und die Bauteile bei der Reparatur darüber hinaus auf den aktuellen Brennertyp umgerüstet werden können. Ein weiteres aktuelles Beispiel für die Anwendung der SLM-Technologie bei Siemens stellt die Fertigung von verbesserten Brenner-Swirlern für Industriegasturbinen der Baureihe SGT-750 dar. In diesem Fall war SLM die einzige Technologie, die in der Lage war, diese Art von Swirler zu fertigen. Die Ergebnisse haben den Erfolg der Anwendung der SLM-Technologie in der Konstruktion, im Prototyping und in der Fertigung neuer, verbesserter Brenner-Swirler bestätigt. l

Authors Dr. Vladimir Navrotsky Andreas Graichen Dr. Håkan Brodin Siemens Industrial Turbomachinery AB Finspong, Sweden

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–– the transmission of CAD/CAM-files is not restricted by geography. 3D-printing can take place virtually anywhere as long as an internet connection exists (F i g u r e 2). As a result, the development and manufacturing time of some components and products will be significantly reduced. New products will enter the market, functionality and product upgrades could be improved and made more frequently. Further technology and AM equipment development will allow for reduced manufacturing cost for some components in the next 5 years. National programmes and public funds can speed up industrialisation of this technology and implementation of innovation into our daily lives. However, alongside the obvious benefits and opportunities there are threats and challenges: –– powder (e.g. specification, chemistry, cost, suppliers), –– AM equipment (e.g. process speed, equipment cost, components size), –– AM process parameters, –– very limited material data, –– qualification and validation of the process, –– design tools and design criteria, –– industrial standards and regulation for AM.

Additive manufacturing technologies Powder-bed additive layer manufacturing Additive layer manufacturing (ALM) comprises a group of rapid manufacturing pro-

3D CAD Data

Fig. 1. To manufacture a component by AM technology, the following is needed: 1 = 3D model of the component 2 = appropriate powder and 3 = laser sintering equipment.

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