Der 3D-Druck eröffnet völlig neue Möglichkeiten, etwa bei der Herstellung von Turbinenschaufeln. Allerdings enthalten die so gefertigten Bauteile oft Spannungen, die später zu Rissen führen können. Einem Team der BAM ist es nun gelungen, diese inneren Spannungen zerstörungsfrei an komplexen Bauteilen zu messen – ein Schlüssel zur Verbesserung der Produktionsprozesse.
Gasturbinenschaufeln müssen extremen Belastungen standhalten: Neben großem Druck und enormen Fliehkräften sind sie hohen Temperaturen ausgesetzt. Um die Energieausbeute weiter zu erhöhen, sollen sie Temperaturen tolerieren, die eigentlich bereits über dem Schmelzpunkt des Materials liegen. Dies gelingt mit hohlen Turbinenschaufeln, die von innen mit Luft gekühlt werden.
Herstellen lassen sich solche Schaufeln durch additive Fertigungsverfahren: Dabei wird aus pulverförmigem Ausgangsmaterial durch selektives Aufschmelzen das Bauteil Schicht für Schicht mit einem Laser aufgebaut. Nach dem Vorbild von Vogelknochen geben filigrane Gitterstrukturen im Inneren der hohlen Turbinenschaufeln die nötige Stabilität.
„Mit gängigen Fertigungsmethoden wie Gießen und Fräsen wären komplexe Bauteile mit solch filigranen Strukturen gar nicht herzustellen“, so Tobias Fritsch, Physiker an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM).
Durch den lokalen Wärmeeintrag des Lasers und die schnelle Abkühlung entstehen allerdings auch Spannungen im Material. Die herstellenden Unternehmen eliminieren diese bislang durch eine nachträgliche Wärmebehandlung. Doch das kostet Zeit und Geld.
Feststellen lassen sich die Spannungen durch Röntgenstrahlen. Doch die dringen nicht tief ins Bauteil ein. Und sie stoßen bei filigranen Hohlstrukturen aufgrund der geometrischen Komplexität an ihre Grenzen.
Das Team der BAM, an der die Forschung zur Additiven Fertigung ein Schwerpunkt ist, hatte eine neue Idee: Es beschloss, Objekte aus dem 3D-Drucker mit einem Neutronenstrahl zu beschießen. Der dringt tiefer ein und wird an spannungsreichen Stellen von der Gitterstruktur der Atome auf charakteristische Weise gebeugt.
Unterstützt wurde das BAM-Team durch zwei wichtige Kooperationspartner: Es konnte die Forschungs-Neutronenquelle des Heinz Maier-Leibnitz-Zentrums (FRM II) der Technischen Universität München für seine Versuche nutzen. Und der Gasturbinenhersteller Siemens Energy stellte ein additiv gefertigtes Bauteil zur Verfügung: eine nur wenige Millimeter große Gitterstruktur, gedruckt aus einer Nickel-Chrom-Legierung.
„Entscheidend war es, die Messpunkte mittels Computertomografie möglichst genau zu lokalisieren“, so Fritsch. „Sie konnten wir unter Beschuss mit Neutronen exakt verorten und damit auch die Spannungen.“
Aber natürlich verfügt nicht jedes Unternehmen, das Gasturbinen produziert, über eine Neutronenquelle. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher*innen nun herausfinden, welche Parameter während des 3D-Drucks zu Spannungen führen können. „Vermutlich wird es entscheidend sein, die Wärme beim Drucken möglichst gleichmäßig zu verteilen“, so Tobias Fritsch. Das BAM-Team hofft, der Industrie schon bald wertvolle Hinweise geben zu können, wie sich die Qualität von energieeffizienten Gasturbinen aus dem 3D-Drucker verbessern lässt.
Kontakt:
Referat Kommunikation, Marketing
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
T: + 49 30 8104-1013
presse@bam.de
www.bam.de
_________________________________________________
150 Jahre BAM – Wissenschaft mit Wirkung. Feiern Sie mit uns: www.150.bam.de
Unser Auftrag: Sicherheit in Technik und Chemie. Weitere Informationen unter www.bam.de
Abonnieren Sie unseren Newsletter: www.150.bam.de/newsletter
Folgen Sie uns auf Twitter: twitter.com/BAMResearch
Über die BAM
Die BAM gewährleistet Sicherheit in Technik und Chemie.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist eine Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.
Die BAM forscht, prüft und berät zum Schutz von Mensch, Umwelt und Sachgütern. Im Fokus aller Tätigkeiten in der Materialwissenschaft, der Werkstofftechnik und der Chemie steht dabei die technische Sicherheit von Produkten und Prozessen. Dazu werden Substanzen, Werkstoffe, Bauteile, Komponenten und Anlagen sowie natürliche und technische Systeme von volkswirtschaftlicher Dimension und gesellschaftlicher Relevanz erforscht und auf sicheren Umgang oder Betrieb geprüft und bewertet. Die BAM entwickelt und validiert Analyseverfahren und Bewertungsmethoden, Modelle und erforderliche Standards und erbringt wissenschaftsbasierte Dienstleistungen für die deutsche Wirtschaft im europäischen und internationalen Rahmen.
Sicherheit macht Märkte.
Die BAM setzt und vertritt für Deutschland und seine globalen Märkte hohe Standards für Sicherheit in Technik und Chemie zur Weiterentwicklung der erfolgreichen deutschen Qualitätskultur „Made in Germany“.
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Maschinenbau, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer, Forschungsergebnisse
Deutsch
Sie können Suchbegriffe mit und, oder und / oder nicht verknüpfen, z. B. Philo nicht logie.
Verknüpfungen können Sie mit Klammern voneinander trennen, z. B. (Philo nicht logie) oder (Psycho und logie).
Zusammenhängende Worte werden als Wortgruppe gesucht, wenn Sie sie in Anführungsstriche setzen, z. B. „Bundesrepublik Deutschland“.
Die Erweiterte Suche können Sie auch nutzen, ohne Suchbegriffe einzugeben. Sie orientiert sich dann an den Kriterien, die Sie ausgewählt haben (z. B. nach dem Land oder dem Sachgebiet).
Haben Sie in einer Kategorie kein Kriterium ausgewählt, wird die gesamte Kategorie durchsucht (z.B. alle Sachgebiete oder alle Länder).