Turbines à gaz à économie d’énergie de l’imprimante 3D

Turbines à gaz à économie d'énergie de l'imprimante 3D

Les neutrons peuvent « voir » à travers le métal. Par conséquent, la diffraction neutronique est une méthode idéale pour mesurer la contrainte résiduelle à l’intérieur des composants fabriqués par fabrication additive. L’image montre une structure de réseau en position de mesure sur le diffractomètre de contrainte résiduelle STRESS-SPEC à la source de neutrons de recherche Heinz Maier-Leibnitz de l’Université technique de Munich. Crédit: Dr Tobias Fritsch / BAM

L’impression 3D a ouvert une toute nouvelle gamme de possibilités. Un exemple est la production de nouveaux godets de turbine. Cependant, le processus d’impression 3D induit souvent des contraintes internes dans les composants, ce qui peut, dans le pire des cas, entraîner des fissures. Aujourd’hui, une équipe de recherche a réussi à utiliser des neutrons de la source de neutrons de recherche de l’Université technique de Munich (TUM) pour la détection non destructive de cette contrainte interne, une réalisation clé pour l’amélioration des processus de production.

Les godets de turbine à gaz doivent résister à des conditions extrêmes: sous haute pression et à haute température, ils sont exposés à d’énormes forces centrifuges. Afin de maximiser davantage les rendements énergétiques, les godets doivent résister à des températures qui sont en fait supérieures au point de fusion du matériau. Ceci est rendu possible grâce à des godets de turbine creux refroidis par air de l’intérieur.

Ces godets de turbine peuvent être réalisés par fusion laser sur lit de poudre, une technologie de fabrication additive: ici, le matériau de départ sous forme de poudre est constitué couche par couche par fusion sélective avec un laser. À l’instar des os aviaires, des structures en treillis complexes à l’intérieur des godets creux de la turbine confèrent à la pièce la stabilité nécessaire.

Le processus de fabrication crée une contrainte interne dans le matériau

« Des composants complexes avec des structures aussi complexes seraient impossibles à fabriquer en utilisant des méthodes de fabrication conventionnelles comme le moulage ou le fraisage », déclare le Dr Tobias Fritsch de l’Institut fédéral allemand de recherche et d’essais sur les matériaux (BAM).

Turbines à gaz à économie d'énergie de l'imprimante 3D

À l’aide de la télécommande, le Dr Tobias Fritsch amène la structure en treillis dans la position de mesure correcte dans le diffractomètre de contrainte résiduelle STRESS-SPEC à la source de neutrons de recherche Heinz Maier-Leibnitz de l’Université technique de Munich. Crédit: Dr Michael Hofmann

Mais l’apport de chaleur hautement localisé du laser et le refroidissement rapide du bain de fusion conduisent à une contrainte résiduelle dans le matériau. Les fabricants éliminent généralement ces contraintes lors d’une étape de traitement thermique en aval, ce qui prend du temps et donc coûte de l’argent.

Malheureusement, ces contraintes peuvent également endommager les composants dès le processus de production et jusqu’au post-traitement. «La contrainte peut entraîner des déformations et, dans le pire des cas, des fissures», explique Tobias Fritsch.

Par conséquent, il a étudié un composant de turbine à gaz pour le stress interne en utilisant des neutrons de la source de neutrons de recherche Heinz Maier-Leibnitz (FRM II). Le composant a été fabriqué à l’aide de procédés de production additifs par le fabricant de turbines à gaz Siemens Energy.

Post-traitement omis intentionnellement

Pour l’expérience neutronique au FRM II, Siemens Energy a imprimé une structure en treillis de seulement quelques millimètres en utilisant un alliage nickel-chrome typique de ceux utilisés pour les composants des turbines à gaz. Le traitement thermique habituel après la production a été intentionnellement omis.

Turbines à gaz à économie d'énergie de l'imprimante 3D

À l’instar des os aviaires, les structures en treillis complexes à l’intérieur des godets de turbine creux fournissent la stabilité nécessaire. Image 3D de la structure en treillis reconstruite à partir de données de tomographie aux rayons X. Crédit: Dr Tobias Fritsch / BAM

«Nous voulions voir si nous pouvions ou non utiliser des neutrons pour détecter les contraintes internes dans ce composant complexe», explique Tobias Fritsch. Il avait déjà acquis une expérience des mesures de neutrons au réacteur de recherche berlinois BER II, qui a toutefois été arrêté fin 2019.

«Nous sommes très heureux de pouvoir effectuer des mesures dans le Heinz Maier-Leibnitz Zentrum à Garching; avec l’équipement fourni par STRESS-SPEC, nous avons même pu résoudre les contraintes internes dans des structures en treillis aussi complexes et complexes que celles-ci». dit le physicien.

Répartition uniforme de la chaleur lors de l’impression

Maintenant que l’équipe a réussi à détecter la contrainte interne au sein du composant, l’étape suivante consiste à réduire cette contrainte destructrice. «Nous savons que nous devons modifier les paramètres du processus de production et donc la manière dont le composant est construit pendant l’impression», déclare Fritsch. Ici, le facteur crucial est l’apport de chaleur au fil du temps lors de la constitution des couches individuelles. « Plus l’application de chaleur est localisée pendant le processus de fusion, plus il y a de stress interne. »

Tant que le laser de l’imprimante est dirigé vers un point donné, la chaleur du point augmente par rapport aux zones adjacentes. Il en résulte des gradients de température qui conduisent à des irrégularités dans le réseau atomique.

«Nous devons donc répartir la chaleur aussi uniformément que possible pendant le processus d’impression», déclare Fritsch. À l’avenir, le groupe étudiera la situation avec de nouveaux composants et des paramètres d’impression modifiés. L’équipe travaille déjà avec Siemens pour planifier de nouvelles mesures avec la source de neutrons TUM à Garching.


Prédire la distorsion et les performances des pièces fabriquées par fabrication additive


Plus d’information:
Tobias Fritsch et al, Sur la détermination des contraintes résiduelles dans les structures en treillis fabriquées de manière additive, Journal de cristallographie appliquée (2021). DOI: 10.1107 / S1600576720015344

Fourni par l’Université technique de Munich

Citation: Turbines à gaz à économie d’énergie de l’imprimante 3D (2021, 27 avril) récupéré le 27 avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-04-energy-saving-gas-turbines-3d-printer.html

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