Wenn große industrielle Bauteile aus Metall, wie zum Beispiel Gasturbinenschaufeln, mit 3D-Druck hergestellt werden, können innere Spannungen entstehen, die zu Rissen führen können. Daraus folgen dann kostspielige oder gar sicherheitsrelevante Schäden. Einem Team von Forschern der Technischen Universität München ist es jetzt gelungen mit Hilfe von Neutronen diese Spannung zu finden, das Problem so besser zu erfassen und die (additiven) Herstellungsprozesse damit zu verbessern.

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Technische Universität München TUM LogoUnternehmen setzen bei der Herstellung von Turbinenschaufeln seit einiger Zeit oftmals auf den 3D-Druck. Das bietet zahlreiche Vorteile, führt aber auch dazu, dass innere Spannungen in den Bauteilen entstehen können, die zu Rissen führen. Einem deutschen Forscherteam gelang es laut einer Pressemitteilung der Technische Universität Münschen (TUM), Neutronen aus dem Neutronenquellenreaktor der TUM einzusetzen, um die innere Spannung in den Schaufeln zu erfassen. Das könnte den Produktionsprozess deutlich verbessern.

3D-Druck von Gasturbinenschaufeln

Dr. Tobias Fritsch bringt die Gitterstruktur am Eigenspannungs-Diffraktometer STRESS-SPEC der Forschungs-Neutronenquelle per Fernbedienung in die richtige Messposition
Dr. Tobias Fritsch bringt das Bauteil am Eigenspannungs-Diffraktometer STRESS-SPEC der Forschungs-Neutronenquelle per Fernbedienung in die richtige Messposition (Bild © Tobias Fritsch / BAM).

Gasturbinenschaufeln halten extremen Bedingungen wie hohem Druck, hohen Temperaturen und starken Fliehkräften stand. Die Energieerträge können weiter maximiert werden, indem die Schaufeln Temperaturen standhalten, die höher als der Schmelzpunkt des Materials sind. Das könnte durch eine Kühlung bei hohlen Turbinenschaufeln von innen möglich werden.

Derartige Turbinenschaufeln lassen sich mit Laser Powder Bed Fusion herstellen. Das Material wird in Pulverform Schicht für Schicht durch selektives Schmelzen mit einem Laser aufgebaut. Komplizierte Gitterstrukturen in den hohlen Turbinenschaufeln sorgen für die Stabilität. Diese Strukturen sind jedoch mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht realisierbar, wie Dr. Tobias Fritsch von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erklärt.

Ein stark lokalisierter Wärmeeintrag des Lasers und die schnelle Abkühlung des Schmelzbades führen zu Restspannungen im Material. Normalerweise wird das in einem kosten- und zeitintensiven nachgeschalteten Wärmebehandlungsschritt beseitigt. Auch während des Produktionsprozesses kann so eine Beanspruchung bereits zu Schäden führen.

Neutronenexperiment am FRM II

CT-Abbildung der 3D-gedruckte Gitterstruktur
Mithilfe der Computertomographie gemessenes 3D-Abbild der untersuchten Gitterstruktur (Bild © Tobias Fritsch / BAM).

Siemens Energy druckte für das Neutronenexperiment am FRM II eine wenige Millimeter große Gitterstruktur mit einer für Gasturbinenkomponenten typischen Nickel-Chrom-Legierung. Die Wärmebehandlung im Anschluss ließen sie weg.

Tobias Fritsch erklärt:

„Wir wollten sehen, ob wir Neutronen verwenden können, um interne Spannungen in dieser komplexen Komponente zu erfassen.“

Die interne Spannung war innerhalb der Komponente zu erkennen. Im nächsten Schritt wurde diese reduziert.

Fritsch weiter:

„Wir wissen, dass wir die Produktionsprozessparameter und damit die Art und Weise, wie das Bauteil beim Drucken aufgebaut wird, ändern müssen. Je lokaler die Wärmeanwendung während des Schmelzprozesses ist, desto mehr innere Spannungen entstehen.“

Der zeitliche Wärmeeintrag beim Aufbau der einzelnen Schichten ist entscheidend. Ist der Laser auf einen bestimmten Punkt gerichtet, steigt die Wärme des Punktes relativ zu benachbarten Bereichen. Die dadurch entstehenden Temperaturgradienten führen zu Unregelmäßigkeiten im Atomgitter. Die Wärme beim Druckvorgang muss laut Fritsch so gleichmäßig wie möglich verteilt werden.

3D-gedruckte Gitterstruktur in Messposition
Die Gitterstruktur in Messposition am Eigenspannungs-Diffraktometer STRESS-SPEC (Bild © Tobias Fritsch / BAM).

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