Turbinas de gas que ahorran energía fabricadas con una impresora 3D

Los neutrones pueden “ver” a través del metal. Por lo tanto, la difracción de neutrones es un método ideal para medir la tensión residual dentro de los componentes fabricados mediante fabricación aditiva. La imagen muestra una estructura de celosía en la posición de medición en el difractómetro de tensión residual STRESS-SPEC en la fuente de investigación de neutrones Heinz Maier-Leibnitz de la Universidad Técnica de Munich. Crédito: Dr. Tobias Fritsch / BAM

Los neutrones “ven” la tensión interna en los componentes de la fabricación aditiva.

La impresión 3D ha abierto un abanico de posibilidades completamente nuevo. Un ejemplo es la producción de nuevos cangilones para turbinas. Sin embargo, el proceso de impresión 3D a menudo induce tensiones internas en los componentes que, en el peor de los casos, pueden provocar grietas. Ahora, un equipo de investigación ha logrado utilizar neutrones del reactor de fuente de neutrones de investigación de la Universidad Técnica de Munich (TUM) para la detección no destructiva de este estrés interno, un logro clave para la mejora de los procesos de producción.

Los cangilones de turbinas de gas tienen que soportar condiciones extremas: están expuestos a tremendas fuerzas centrífugas a alta presión y a altas temperaturas. Para maximizar aún más el rendimiento energético, los cubos deben soportar temperaturas que en realidad son más altas que el punto de fusión del material. Esto es posible utilizando cangilones de turbina huecos que se refrigeran por aire desde el interior.

Estos cangilones de turbina se pueden fabricar utilizando Laser Powder Bed Fusion, una tecnología de fabricación aditiva: aquí el material de partida en forma de polvo se acumula capa por capa mediante fusión selectiva con un láser. Siguiendo el ejemplo de los huesos de aves, intrincadas estructuras de celosía dentro de los cangilones de turbina huecos proporcionan a la pieza la estabilidad necesaria.

Estructura de celosía de cubo de turbina hueca

Siguiendo el ejemplo de los huesos de aves, las intrincadas estructuras de celosía dentro de los cangilones de turbina huecos proporcionan la estabilidad necesaria. Imagen 3D de la estructura de celosía reconstruida a partir de datos de tomografía de rayos X. Crédito: Dr. Tobias Fritsch / BAM

El proceso de fabricación crea tensión interna en el material.

“Sería imposible fabricar componentes complejos con estructuras tan intrincadas utilizando métodos de fabricación convencionales como fundición o fresado”, dice el Dr. Tobias Fritsch del Instituto Federal Alemán de Investigación y Ensayo de Materiales (BAM).

Pero la entrada de calor altamente localizada del láser y el rápido enfriamiento del baño de fusión conducen a una tensión residual en el material. Los fabricantes normalmente eliminan tal estrés en un paso de tratamiento térmico posterior, que sin embargo lleva tiempo y, por lo tanto, cuesta dinero.

Desafortunadamente, estas tensiones también pueden dañar los componentes ya durante el proceso de producción y hasta que tiene lugar el posprocesamiento. “La tensión puede provocar deformaciones y, en el peor de los casos, provocar grietas”, dice Tobias Fritsch.

Por lo tanto, investigó un componente de turbina de gas para estrés interno utilizando neutrones de la fuente de investigación de neutrones Heinz Maier-Leibnitz (FRM II). El componente fue fabricado mediante procesos de producción aditivos por el fabricante de turbinas de gas Siemens Energy.

Instrumento Tobias Fritsch STRESS SPEC

Usando el control remoto, el Dr. Tobias Fritsch lleva la estructura de celosía a la posición de medición correcta en el difractómetro de tensión residual STRESS-SPEC en la Fuente de Investigación de Neutrones Heinz Maier-Leibnitz de la Universidad Técnica de Munich. Crédito: Dr. Michael Hofmann

Posprocesamiento omitido intencionalmente

Para el experimento de neutrones en el FRM II, Siemens Energy imprimió una estructura de celosía de solo unos pocos milímetros de tamaño utilizando un níquel-cromo aleación típico de los utilizados para componentes de turbinas de gas. El tratamiento térmico habitual después de la producción se omitió intencionalmente.

“Queríamos ver si podíamos utilizar neutrones para detectar tensiones internas en este componente complejo”, explica Tobias Fritsch. Ya había adquirido experiencia con las mediciones de neutrones en el reactor de investigación BER II de Berlín, que sin embargo se cerró a finales de 2019.

“Estamos muy contentos de poder realizar mediciones en el Heinz Maier-Leibnitz Zentrum en Garching; con el equipo proporcionado por STRESS-SPEC pudimos incluso resolver tensiones internas en estructuras de celosía tan intrincadas y complejas como estas ”, dice el físico.

Distribución uniforme del calor durante la impresión

Ahora que el equipo ha logrado detectar el estrés interno dentro del componente, el siguiente paso es reducir este estrés destructivo. “Sabemos que tenemos que modificar los parámetros del proceso de producción y, por lo tanto, la forma en que se construye el componente durante la impresión”, dice Fritsch. Aquí, el factor crucial es el aporte de calor a lo largo del tiempo al construir las capas individuales. “Cuanto más localizada está la aplicación de calor durante el proceso de fusión, más estrés interno resulta”.

Mientras el láser de la impresora esté dirigido a un punto dado, el calor del punto aumenta en relación con las áreas adyacentes. Esto da como resultado gradientes de temperatura que conducen a irregularidades en la red atómica.

“Así que tenemos que distribuir el calor de la manera más uniforme posible durante el proceso de impresión”, dice Fritsch. En el futuro, el grupo investigará la situación con nuevos componentes y parámetros de impresión modificados. El equipo ya está trabajando junto con Siemens para planificar nuevas mediciones con la fuente de neutrones TUM en Garching.

Referencia: “Sobre la determinación de tensiones residuales en estructuras de celosía fabricadas aditivamente” por T. Fritsch, M. Sprengel, A. Evans, L. Farahbod-Sternahl, R. Saliwan-Neumann, M. Hofmann y G. Bruno, Revista de Cristalografía Aplicada.
DOI: 10.1107 / S1600576720015344


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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