Selective Laser Melting im Turbomaschinenbau

Themenbroschüre Selective Laser Melting im Turbomaschinenbau

Themenbroschüre Selective Laser Melting im Turbomaschinenbau

Optimale Funktionalität bei möglichst geringem Gewicht sowie extreme mechanische und korrosive Belastungen bei hohen Temperaturen: Aus diesen Bauteilanforderungen resultieren hohe Ansprüche an die Fertigungsverfahren und Werkstoffe im Turbomaschinenbau. Selective Laser Melting (SLM) bietet dem Anwender aufgrund der möglichen Bauteilkomplexität und der kurzen Durchlaufzeiten enorme Vorteile gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren.

Herausforderungen im Turbomaschinenbau

Hersteller im Turbomaschinenbau sind stetig der Forderung nach einer Steigerung des Turbinenwirkungsgrades auf der einen und Reduzierung des Material- und Resourcenaufwandes auf der anderen Seite ausgesetzt. Dies erfordert neue Ansätze sowohl in der Entwicklungsphase von Bauteilen als auch in der Umsetzung funktions- und gewichtsoptimierter Strukturen. Einen limitierenden Faktor stellen dabei oft die konventionellen Fertigungsverfahren wie Gießen und Schmieden dar. Gegenüber diesen bietet das Additive Manufacturing mittels SLM insbesondere aufgrund der kurzen Durchlaufzeiten und der großen Geometriefreiheit signifikante Vorteile.

Die extremen Belastungen, denen die Bauteile ausgesetzt sind, sowie die geforderte Ausfallsicherheit im Bereich Luftfahrt und Energietechnik stellen dabei besondere branchenspezifische Herausforderungen an das Verfahren:

  • Verarbeitung hochspezialisierter Werkstoffe (insbesondere Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen) zur Erzielung der benötigten thermo-mechanischen Eigenschaften
  • Erfüllung erforderlicher Qualitätskriterien und Sicherstellung der Reproduzierbarkeit und Maschinenübertragbarkeit, u.a. für Zulassungen
  • Entwicklung neuer Prozessketten und Integration des Verfahrens in bestehende Prozessketten

Forschungsschwerpunkte am Fraunhofer ILT

Superlegierungen auf Nickelbasis (z.B. Inconel® 718 und 738, MAR-M-247®) und Kobaltbasis (z.B. MAR-M-509®) gehören zu den meist verwendeten Werkstoffen in Turbomaschinen aufgrund ihrer exzellenten thermo-mechanischen Eigenschaften auch bei extremen Temperaturen. Die Eigenschaften eines Bauteils hängen dabei in erste Linie vom Werkstoff und seiner Gefügestruktur, den Volumendefekten, der Oberflächenqualität sowie den Eigenspannungen ab.

Diese essentiellen Aspekte werden von der durchlaufenen Prozesskette bestimmt, d.h. durch die Kombination von Ausgangsmaterial, SLM-Verfahren sowie der thermischen und mechanischen Nachbehandlung. Wissenschaftler am Fraunhofer ILT verfolgen daher das Ziel, Einfluss-Wirk-Zusammenhänge entlang dieser Prozesskette zu erforschen und zielgerichtete Maßnahmen zur Weiterentwicklung der einzelnen Prozessschritte, insbesondere des SLM-Verfahrens, zu erarbeiten.

Bei rissunempfindlichen Werkstoffen wie Inconel® 718 oder MAR-M-509® wird u.a. der Einfluss des SLM-Verfahrens in Kombination mit der thermischen Nachbehandlung auf das Gefüge und die thermo-mechanischen Eigenschaften betrachtet. Hingegen liegt der Fokus bei der Verarbeitung rissempfindlicher Werkstoffe wie Inconel® 738 auf der Weiterentwicklung des SLM-Verfahrens zur defektfreien Verarbeitung dieser Legierungen. Ansätze sind hier u.a. die Reduzierung thermischer Gradienten mittels globaler Vorwärmung oder die gezielte Steuerung der Erstarrungsbedingungen durch zusätzliche lokale Wärmequellen.

Unterstützt werden die experimentellen Forschungsarbeiten durch die Entwicklung von CFD- und FEM-Modellen zur Simulation der verfahrensbedingten Temperatur-Zeit-Zyklen und Erstarrungsbedingungen.

Neben der Entwicklung kundenspezifischer Prozessketten wird der Einfluss einzelner Prozessschritte auf die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses und die Qualität der Bauteile untersucht, wie beispielsweise der Einfluss verschiedener SLM-Aufbaustrategien und Nachbearbeitungsverfahren auf die erzielbare Formgenauigkeit und Oberflächenqualität.

Lösungskompetenz

Das SLM-Verfahren wurde Mitte der 90er Jahre am Fraunhofer ILT entwickelt und seitdem in enger Kooperation mit führenden Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen unter Berücksichtigung der gesamten Prozesskette stetig weiterentwickelt. Durch unsere Kompetenz und jahrelange Erfahrung können unsere Experten Sie individuell und lösungsorientiert unterstützen. Dabei können Sie auf unsere umfangreiche Anlagenausstattung bestehend aus unterschiedlichen kommerziellen Systemen und hochflexiblen Laboranlagen zurückgreifen.

Durch unsere enge Kooperation mit weiteren Fraunhofer- Instituten, der RWTH Aachen University und Partnern aus der Werkstoffanalytik profitieren Sie außerdem von der gebündelten Kompetenz des Standorts Aachen im Bereich der generativen Fertigung.

Leistungsspektrum

Im Anwendungsbereich Turbomaschinen bieten wir Ihnen u.a. folgende Leistungen:

  • Anwendungsentwicklung für Ihre Werkstoffe und Bauteile: vom fertigungsspezifischen Bauteildesign, über die Verfahrensentwicklung bis hin zu einer ersten Werkstoffqualifizierung
  • Anwendungserprobung des Verfahrens für Ihre Fertigung und Unterstützung zur Integration in bestehende Prozessketten
  • Fertigung von Funktionsprototypen aus anwendungsrelevanten Werkstoffen (Nickel- und Kobaltbasis-Superlegierungen, Titanlegierungen…)