Un ramo fondamentale della produzione additiva, la stampa 3D in metallo utilizza modelli digitali per dirigere la fusione e l’impilamento delle polveri metalliche strato dopo strato per creare componenti solidi. Tra le sue operazioni di base figurano la fusione a fascio di elettroni (EBM) e la fusione laser selettiva (SLM). Nella SLM, i raggi laser ad alta-energia vengono utilizzati per fondere le polveri metalliche, consentendo la costruzione strato-per-strato di strutture complesse attraverso il controllo preciso dei percorsi di scansione laser. Basato sull'approccio di Siemens Energy, il suo bruciatore per turbine a gas costruito in SLM- combina 13 componenti saldati in un'unica unità, estendendo notevolmente la durata e l'affidabilità dei componenti.
Ci sono tre vantaggi chiave di questa tecnologia: in primo luogo, utilizza più del 95% del materiale, che è molto meglio del 60%-70% utilizzato nei normali metodi di fusione; in secondo luogo, può creare forme complesse difficili da realizzare con i metodi tradizionali, come i modelli a nido d’ape per il raffreddamento delle testate dei motori; e in terzo luogo, ottimizzando il design, le parti possono essere rese più leggere del 30%-70% pur rimanendo robuste. Utilizzando la stampa 3D in metallo, la ricerca di Siemens Energy ha dimostrato che il peso delle teste dei cilindri è sceso da 5.095 grammi a 1.755 grammi, producendo quindi una riduzione del volume del 65% e un aumento del 40% dell’efficienza di dissipazione del calore.
Attraverso Materials Solutions, Siemens Energy ha sviluppato un sistema di produzione che comprende novanta stampanti 3D industriali in metallo. Utilizzando la tecnologia SLM, le pale delle turbine a gas realizzate sono progettate per migliorare il flusso d'aria al loro interno imitando la natura, il che aiuta a bruciare il carburante in modo più efficiente e riduce la necessità di raffreddamento dell'aria. La novità tecnologica risiede nell'innovazione dei materiali: la creazione di polveri di leghe a base di nichel-adatte per condizioni di alta-temperatura, che possono mantenere una durata di servizio di 100.000 ore a 650 gradi.
La produzione su misura di lampeggiatori per pale è stata ottenuta attraverso la tecnologia di stampa metallica 3D per affrontare le sfide della produzione di pale convenzionale, che si basa su stampi e comporta costi elevati. Il design di ottimizzazione topologica ha ridotto il peso del parafulmine del 40% e triplicato l'efficienza dell'installazione. Questa tecnologia può ridurre i costi di manutenzione del 20% e migliorare in modo significativo l'economia complessiva della durata delle apparecchiature di produzione di energia-nel contesto dell'energia eolica offshore.
La stampa 3D dei metalli ha risolto il difficile problema della lavorazione di microcanali difficile da raggiungere con i metodi convenzionali nell’evoluzione dei motori a microturbina. UAd esempio, per una turbina raffreddata a microaria- da 50 mm, lo spessore della parete del canale di raffreddamento prodotto dalla stampa 3D è di soli 0,3 mm, migliorando quindi l'efficienza di raffreddamento del 50% e ottenendo una densità di potenza tre volte superiore rispetto ai progetti convenzionali.
Le tre dimensioni rispecchiano il triplice-valore applicativo della stampa 3D in metallo nel settore energetico:
Secondo le pratiche di Siemens Energy, l'utilizzo delle apparecchiature è aumentato del 200%, mentre il ciclo di produzione dei componenti dei bruciatori realizzati con la stampa 3D è stato ridotto da 12 settimane con i metodi convenzionali a 4 settimane. La produzione personalizzata di lampeggiatori a lama ha ridotto il ciclo di consegna da 60 giorni a soli 7 giorni nel settore della produzione di energia eolica, soddisfacendo così la richiesta di risposte rapide da parte del mercato.
DA La riduzione diretta dei costi di produzione deriva da un migliore utilizzo dei materiali. Utilizzando ad esempio le pale delle turbine a gas, le tecniche di fusione convenzionali sprecano fino al 30% dei materiali, mentre la stampa 3D comporta solo una perdita del 5% dei materiali di supporto. Nel settore del funzionamento e della manutenzione delle apparecchiature energetiche, la tecnologia di stampa 3D ha ridotto i tempi di risposta alla manutenzione entro 24 ore e ha ridotto i costi di inventario dei pezzi di ricambio del 40%.
Il design di ottimizzazione della topologia aumenta dell'80% l'area di dissipazione del calore della testata del motore, con una conseguente riduzione del peso del 66%. Nel campo delle apparecchiature per la microenergia, la tecnologia di stampa 3D ha raggiunto la fabbricazione precisa di microcanali a un livello di 0,1 mm, offrendo così opportunità per la progettazione innovativa di componenti essenziali, come le piastre bipolari delle celle a combustibile.
Nonostante i grandi vantaggi tecnologici, l’uso della stampa 3D metallica nel settore energetico presenta ancora tre difficoltà principali.
L'uso limitato delle attuali polveri metalliche nei componenti ad alta-pressione è dovuto al fatto che la loro resistenza alla fatica è inferiore dal 15% al 20% rispetto a quella dei materiali fabbricati. La chiave per il progresso è lo sviluppo di nuovi tipi di leghe, come le leghe speciali di titanio realizzate con la produzione additiva laser, che possono raggiungere un carico di snervamento di 900 MPa o più.
L'ottimizzazione del processo deve ancora superare la deviazione dimensionale causata dalla deformazione termica. UUtilizzando la tecnologia di simulazione multi-fisica, Siemens Energy gestisce la precisione dimensionale delle teste dei cilindri entro ± 0,05 mm, ovvero il 50% più preciso di quanto consentito dai metodi convenzionali.
Non esiste alcuna certificazione di settore per i componenti-stampati in 3D delle apparecchiature energetiche. ELa creazione di un sistema completo di standard di processo che includa materiali, procedure e test fa parte dell'attuale percorso rivoluzionario. Per i componenti metallici stampati in 3D-, ad esempio, lo standard tedesco VDI 3405 ha standardizzato le procedure di test delle prestazioni a fatica.
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