Siemens 3D-print onderdelen voor gasturbines

Smeed- en freesdelen zullen in de toekomst ook op andere manieren gemaakt worden. Onderdelen voor energiecentrales zijn de meest uitdagende toepassingen voor selective lasersmelten (SLM), de additive manufacturing technologie waar Siemens vooral in gelooft. De temperaturen in de centrales lopen namelijk op tot bijna het smeltpunt van de metalen. Toch houden branders, gerepareerd door de Finse Siemensvestiging met een EOS-machine, het net zo lang uit als traditioneel vervaardigde branders, blijkt uit de eerste serie testen die Siemens achter de rug heeft. De complexe assemblage vervalt echter bij de nieuwe laagsgewijze opbouw. Tot nog toe worden de branders samengesteld uit meer dan dertig onderdelen die via laserlassen worden verbonden, dan CNC-bewerkt en gedraadvonkt. Dit onderdeel van de brander kan nu voor 30 procent minder kosten gemaakt worden in amper 10 procent van de vroegere doorlooptijd. Sinds eind vorig jaar zijn de eerste branders bij klanten in gebruik.

Waarom SLM

Siemens ziet drie belangrijke redenen om de nieuwe technologie in te zetten in de productie van gasturbines. De allereerste is dat men sneller over prototypes kan beschikken. Binnen 48 uur nadat een engineer een idee heeft voor een andere nozzle of een andere geometrie van een turbineblad, kan men een 3D-geprint metalen deel testen. ‘De innovatiecyclus wordt hierdoor veel korter’, zegt Andreas Fischer Ludwig, bij de Power Generation divisie van Siemens verantwoordelijk voor de industrialisatie van het productieproces. Dat is belangrijk in deze industrie, waar de grote spelers wereldwijd elkaar beconcurreren met steeds efficiëntere centrales.

‘Dankzij de nieuwe technologie zijn we zes keer sneller in de ontwikkeling.’ De tweede reden die voor additive manufacturing pleit, is volgens hem kostenbesparing. Additive manufacturing van onderdelen vergt minder materiaal dan andere processen. Ook vervallen dure gereedschapskosten. Veel giet- en smeeddelen die Siemens nu betrekt van externe toeleveranciers, zouden wel eens aanzienlijk goedkoper vervaardigd kunnen worden via additive manufacturing. ‘We gaan dit zeker gebruiken om de prijzen bij toeleveranciers omlaag te krijgen.’ Kostenbesparing zit er ook in voor de klanten van de energiedivisie. Een eerste proef met het herstellen van branders uit een turbine liet een doorlooptijdverkorting zien van 44 weken naar 4 weken. Dit betekent een aanzienlijk kortere productiestilstand bij de energieproducent. 

Designvrijheid

De derde reden waarom Siemens zo sterk inzet op de nieuwe technologie is misschien wel de allerbelangrijkste: designvrijheid. Het opbouwen van onderdelen door met de laser poeder te smelten, schept designvrijheden die je met smeed- en verspanende technieken nooit kunt bereiken. In combinatie met de mogelijkheid om andere, nog hittebestendigere materialen te printen, ziet men bij Siemens hierdoor kansen ontstaan om de efficiency van de centrales naar een hoger niveau te brengen. ‘We kunnen bijvoorbeeld koelkanalen in de turbinebladen optimaliseren’, zegt Andreas Fischer Ludwig hierover. Dat betekent in de praktijk dat nog hogere temperaturen mogelijk worden waardoor de efficiencygraad van de centrales – nu maximaal 61 procent – hoger wordt. Engineers worden niet meer beperkt door de fysieke grenzen van een verspanende techniek, maar krijgen alle vrijheid.

Binnen twee jaar

Voorlopig is het 3D-printen van turbineschoepen echter nog toekomstmuziek. Ludwig schat dat het 3D-printen van turbinebladen pakweg over vijf tot tien jaar realiteit zal zijn. Siemens wil natuurlijk vooral zeker zijn van de producten die men levert. Er zijn echter koelere zones in een turbine waar de temperatuur niet verder oploopt dan 400 graden C en waar onderdelen minder belast worden. ‘In die zones denken we binnen anderhalf tot twee jaar de eerste producten via additive manufacturing te maken. Dan zal het economisch aantrekkelijker zijn om onderdelen met SLM te maken dan met smeed- en giettechnieken’, zegt Andreas Fischer Ludwig. Daarmee wil hij beslist niet de indruk wekken dat het lasersmelten van poeder zover is dat het een eenvoudige productietechniek is geworden.

De uitdaging is vooral, denkt Ursus Krüger, hoofd corporate researchgroep, grip te krijgen op alle factoren die het eindresultaat kunnen beïnvloeden. En dat zijn er veel: van design van de componenten tot en met de machines, poeders en eventuele nabewerkingen. ‘Van prototyping toepassingen naar de productie is moeilijk. Als je onderdelen wilt produceren, heb je een robuust proces nodig. Zero defects, wat voor ons noodzaak is, hebben we nog niet bereikt.’ De ontwikkelingen gaan echter snel. Zeker als de voorspellingen over de kosten van additive manufacturing van metalen delen uitkomen, wordt de technologie ook vanuit dat oogpunt concurrerender, alhoewel Krüger additive manufacturing nog niet de rol van serieproductie ziet overnemen. De technologie blijft eerder aanvullend en schept nieuwe kansen voor de productie van complexe delen.

Verandering businessmodellen

De consequenties die deze technologie met zich meebrengt, reiken echter verder dan alleen de manier waarop onderdelen worden gemaakt. Uit de gesprekken bij Siemens in Berlijn blijkt nadrukkelijk dat men verschuivingen in businessmodellen verwacht, als gevolg van de nieuwe productietechnologie. Siemens betrekt bijvoorbeeld smeed- en gietdelen van externe partijen. Additive manufacturing beschouwt men echter als een kerncompetentie die men niet snel uit handen zal geven, al zeker niet uit het oogpunt van bescherming van intellectueel eigendom. Ursus Krüger geeft nog een tweede voorbeeld hoe businessmodellen onder invloed van additive manufacturing zouden kunnen veranderen. ‘De sparepart business doen we nu niet volledig zelf. Als we reserve onderdelen via additive manufacturing gaan produceren, gaan we dat wel doen. Misschien gaan we straks wel op de site van onze klant de spareparts produceren.’
i www.siemens.com