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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

3D-Druck

Druck auf den Kopf

Kaum Grenzen gesetzt: Mittels Additiver Fertigung kann Siemens nicht nur schneller und flexibler Ersatzteile für Gasturbinen herstellen. Dank das 3D-Drucks können die Experten auch neue Konstruktionen entwerfen, deren Design sich spürbar auf die Leistung der Gasturbine auswirkt.

In seinem Werk im schwedischen Finspong fertigt Siemens Teile für Gasturbinen – und zwar mit 3D-Druck. Das erlaubt ungewöhnliche Konstruktionen und schafft neue Geschäftsmodelle, insbesondere beim Service.

Östergötland ist eigentlich eine flache Gegend. Doch in Finspong, eine halbe Autostunde westlich der alten Industrie- und Hafenstadt Norrköping, ragt ein Hügel aus der Landschaft. Der Fels besteht aus Granit und ist damit das ideale Fundament, um auf seinem Gipfelplateau schweres Industriegerät zu produzieren. Hier entstand in den 1980ern eine große Werkhalle für Gas- und Dampfturbinen. Siemens hat vor mehr als zehn Jahren von Alstom den Geschäftsbereich und damit die Fabrik- und Bürogebäude am Standort Finspong erworben. Seit 2003 fertigt Siemens Industrial Turbomachinery AB hier mittelgroße Industriegasturbinen. Wobei „mittelgroß“ relativ ist: Das schwerste Modell, SGT 800, wiegt 290 Tonnen und leistet bis zu 54 Megawatt – genug, um Strom für einen großen Industriebetrieb zu erzeugen.

Gerade öffnen Monteure bei einer SGT-800 die Deckel, um die 30 Gasbrenner einzusetzen, die den Brennstoff im Gemisch mit Luft verfeuern, was die Schaufelräder antreibt. Auf Wagen stehen die Brenner bereit – mattgrau und trotz des komplizierten Aufbaus fast ohne sichtbare Schweißnähte. „Diese Brenner werden schon bald in der oberen Hälfte komplett im 3D-Drucker hergestellt“, verrät Andreas Graichen, Leiter des Expertenteams für additive Fertigung bei Siemens in Finspong.

Blick in die 3D-Druck-Werkstatt von Siemens im schwedischen Finspong – ausgerichtet auf die additive Fertigung von Metallteilen.

Drucken statt schweißen

Graichen kam vor über 20 Jahren als Schweißfachingenieur nach Finspong. In den letzten Monaten und Jahren hat er den größten Umbruch seines Arbeitslebens erlebt. Die früher geschweißten Brennerköpfe werden in den neuen Turbinen bald durch gedruckte ersetzt. In einer Werkstatt direkt neben Graichens Büro arbeiten mehrere Maschinen, in denen Laser aus Metallpulver Schicht für Schicht neue Brenner wachsen lassen. Die additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, ist für den Gasturbinenbau – und für viele weitere Industrien – eine Revolution. Denn Teile können beinahe auf Knopfdruck ausgegeben werden; auch Veränderungen am Design sind nur wenige Mausklicks entfernt. Außerdem lassen sich bisher unmögliche Konstruktionen schaffen, zum Beispiel ineinander verschachtelte Hohlkörper oder doppelwandige Strukturen mit Wabenfüllung.

Andreas Graichen demonstriert die neuen Möglichkeiten an einem Brennerkopf, bei dem Teile der äußeren Wand weggelassen wurden. Innen sieht man verschiedene fachwerkartige Strukturen. Sie dienen dazu, die Verwendung alternativer Brennstoffe zu testen, allen voran Wasserstoff oder Synthesegas. Diese Gase entstehen häufig in industriellen Prozessen als Abfall, also dort, wo die Gasturbinen aus Finspong Strom für Pumpen, Kompressoren und chemische Prozesse erzeugen. Die Gase würde man gerne nutzen, doch dazu müssen die Brenner die Gase gleichmäßig durchmischen. Und genau dafür sorgen die Fachwerkstrukturen. Bis zu 60 Prozent Wasserstoff können die neuen Brenner dem Erdgas zumischen. Das ist revolutionär; bislang waren nur wenige Prozent möglich, weil sich mit den alten Methoden der Schwerindustrie wie Gießen und Schweißen die für eine höhere Zumischung notwendigen Strukturen gar nicht erzeugen ließen.

Vom Prototyp zum Serienteil

Dank dieser Flexibilität erobert der 3D-Druck immer mehr Branchen. Als Vladimir Navrotsky 2008 mit Experimenten zur additiven Fertigung startete, war die Technik noch sehr teuer und diente lediglich zur Herstellung von Prototypen für Testzwecke. Das war dem heutigen Technologie-Direktor der Servicesparte für verteilte Energieerzeugung in Finspong schon damals nicht genug. Vielmehr wollte er abgenutzte Teile erneuern und irgendwann sogar komplette Bauteile herstellen. Beides ist heute möglich und bereits in die Serienfertigung integriert.

Wenn gewünscht, bedrucken die Ingenieure die Brennerköpfe mit dem neuesten Design. Das Resultat ist eine ordentliche Effizienzsteigerung.

Seit 2013 bereitet Navrotskys Team abgenutzte Brennerköpfe auf. Servicetechniker bauen sie nach etwa 30.000 Betriebsstunden aus der Gasturbine aus und schicken sie nach Finspong. Dort tragen die Techniker die beschädigten oberen zwei Zentimeter ab und drucken diese wieder auf. Nach weniger als 20 Stunden im 3D-Drucker ist der alte Brenner wie neu und zum erneuten Einbau bereit. Jeder Stillstand kostet aber Geld: Weil der Kunde aus Kostengründen nicht auf die Reparatur seiner Gasturbine warten kann, ersetzen die Techniker den alten Brenner sofort durch einen anderen bereits aufbereiteten aus einem anderen Satz. Außerdem darf sich der Betreiber in der Regel auf eine höhere Energieausbeute freuen. Denn die Siemens-Ingenieure bedrucken die Brennerköpfe mit dem neuesten Design, wenn das vom Kunden gewünscht wird. Das Resultat ist eine ordentliche Effizienzsteigerung: „Das bringt ein Plus von bis zu einem Prozent beim Wirkungsgrad“, sagt Navrotsky. Auch neue Werkstoffe kommen dabei zum Einsatz, denn heute können die Pulverhersteller nahezu jede Materialkomposition liefern, bis hin zu hochbelastbaren Nickel-Basis-Werkstoffen, die an den Brennerspitzen immerhin 1500 Grad Celsius aushalten müssen.

Vladmir Navrotsky, Technologie-Direktor der Servicesparte für verteilte Energieerzeugung in Finspong.

Ersatzteile aus der Cloud

Für Andreas Graichen ist die additive Fertigung der Türöffner zu einer volldigitalisierten Wertschöpfungskette. Wie das gemeint ist, erläutert er so: Schon heute sei ein Großteil der einzelnen Arbeitsschritte digital angelegt, jedoch nur in isolierten digitalen „Inseln“. Was fehle, sei die automatisierte Verknüpfung dieser digitalen „Inseln“ zu einer Wertschöpfungskette. Ziel sei es, das 3D-Drucken mit Metallen so einfach zu gestalten, als handele es sich um das Ausdrucken auf Papier. In Zukunft könne man ein CAD-Modell direkt aus dem Zeichenprogramm ausdrucken, erwartet Graichen.

Wenn die digitale Produktionssteuerung erst einmal an einigen Orten in traditionellen Werkstätten erfolgreich verwirklicht ist, kann man sich auch eine regionale Herstellung vorstellen, nahe beim Kunden. Der geographische Abstand zwischen Kunde und Hersteller ist in der künftigen volldigitalen Fertigungskette kein Hindernis mehr, weil man Daten auch an entfernteste Punkte der Welt sicher und schnell senden kann, statt fertige Teile zu verschicken.

Doch was geschieht, wenn diese Daten gar nicht vorliegen, beispielsweise bei jahrzehntealten Anlagen, für die es weder Ersatzteile noch digitale Konstruktionsdaten gibt? Um diese Daten zu generieren, durchleuchten die Siemens-Experten das Teil, das ersetzt werden muss, in einem 3D-Röntgenscanner. Wie ein Computertomograph in der Klinik erzeugt er schichtweise Aufnahmen des „Patienten“ und setzt sie zu einem dreidimensionalen Bild zusammen, das dann für die Steuerung des Druckers verwendet wird. Zusammen mit der additiven Fertigung erlaube diese Digitalisierung völlig neue Geschäftsmodelle im Service, so Andreas Graichen: „Der Wert der digitalen Geometrie- und Herstellungs-Daten wird den der Hardware vielleicht künftig sogar übersteigen, wenn das Ausdrucken von Metallteilen so einfach geworden ist, dass man es fast als Gemeingut bezeichnen kann. So wie das Ausdrucken auf Papier schon heute.“

Bernd Müller