Hochtemperatur-Anwendungen

Aufgrund des kontinuierlich ansteigenden weltweiten Energiebedarfs müssen Lösungen für eine zuverlässige und nachhaltige Energieversorgung geschaffen werden. Innerhalb des Projekts »Hochtemperaturanwendungen 2.0« werden dazu innovative Entwicklungen im Bereich der Gasturbinentechnik vorangetrieben. Sowohl additive Fertigungsverfahren als auch additiv gefertigte Bauteile können einen großen Beitrag leisten, um die zentrale Energieversorgung nachhaltiger zu gestalten. Mit Blick auf den Klimawandel besteht ein primärer Fokus auf der Dekarbonisierung.

In Gasturbinenkraftwerken treibt ein heißer Gasstrahl mit Temperaturen von weit über 1000 Grad Celsius die Schaufelräder auf der Turbinenwelle an, wodurch Energie erzeugt wird. Demnach sind Hochtemperaturbauteile essenziell für die wichtigsten Parameter einer Gasturbine wie Wirkungsgrad und Leistung. Turbinenschaufeln und alle anderen Bauteile, die mit dem heißen Gas in Berührung kommen, müssen gut vor der extremen Hitze geschützt werden. Das kann zum Beispiel durch eine direkte Kühlung des Bauteils oder mithilfe von Dämmschichten, die auf die Bauteile aufgetragen werden, erreicht werden. Mittels der additiven Fertigung lassen sich innovative Kühlkonzepte umsetzen, die mit konventionellen Fertigungsverfahren technisch nicht realisierbar sind.

Weiterhin erlaubt die additive Fertigung den Einsatz von Werkstoffen mit herausragenden thermomechanischen Eigenschaften, wodurch der Wirkungsgrad und die Leistung der Gasturbine entscheidend erhöht werden können. Darüber hinaus erfordert die Verwendung von alternativen Brennstoffen wie H2 oder Biogas Bauteile, welche ganz neue Eigenschaften aufweisen müssen und mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht produziert werden können.

Im Rahmen des Forschungsprojekts werden deshalb additive Fertigungsverfahren gezielt verbessert, um neue Designs für hocheffiziente temperaturbeständige Bauteile fertigen zu können. Weiterhin werden leistungsfähigere Werkstoffe für den Einsatz in der additiven Fertigung qualifiziert. Am Fraunhofer IPK entwickeln wir dafür neue Hochtemperatur-Maschinenkonzepte für das Selektive Laserschmelzen, auch Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) genannt. Neben einem In-Situ-Prozessmonitoring in L-PBF-Maschinen führen wir außerdem Pulveranalysen durch und untersuchen die Potenziale digitalisierter Prozessketten unter Einsatz von Digitalen Zwillingen.

Relevante Forschungsfragen:

• Welche additiven Fertigungssysteme eignen sich für Hochtemperaturbauteile und wie können sie wirtschaftlich eingesetzt werden?
• Wie erreicht man mit den verfügbaren Pulverwerkstoffen und den weiterentwickelten additiven Fertigungsprozessen die angestrebten hocheffizienten Bauteile?
• Wie kann ein digitaler Zwilling helfen, die Produktentwicklung für die additive Fertigung zu beschleunigen und robuster zu machen?