OLA

Fallstudie: Monolithische Radialturbine

316L Edelstahl | SLM | Turbinenrad für Flugzeugtriebwerk/Gasturbine mit 3D-markierten Schaufeln

Metall-3D-Druck-Anwendung

1. Hintergrund

Ein Zulieferer für Flugzeugtriebwerkskomponenten entwickelte eine hochgeschwindige Radialturbine für ein kleines Demonstrations-Turbostrahltriebwerk. Das herkömmliche geschweißte Laufrad wies Rissbildung an den Schweißnähten an den Schaufelspitzen auf und hatte eine begrenzte Effizienz, da das Schaufelprofil durch die Schweißvorrichtung eingeschränkt war. Ein vollständig monolithisches Laufrad mit optimiertem Schaufelgeometrie und direkt 3D-markierter Kennzeichnung war erforderlich, um sowohl die Haltbarkeit als auch die Nachverfolgbarkeitsanforderungen für das Demonstrationsprogramm zu erfüllen.

2. Die Herausforderung

Die Designanforderungen umfassten:

· 60+ radiale Schaufeln mit voller aerodynamischer Profilierung, 100% monolithisch — keine geschweißten Schaufelfüße

· Optimierte 3D-Verdrehung der Schaufeln für eine Stufenwirkungsgrad von >88%

· Materialklasse und Seriennummer direkt in die Nabeoberfläche 3D-druckt (kein Klebeetikett, keine Lasergravur, die entfernt werden kann)

· Dynamische Auswuchtung G2.5 bei Volllast (24.000 U/min)

· 316L-Edelstahl für hohe Temperaturoxidationsbeständigkeit und ZfV-Kompatibilität

3. Die Lösung

Das Laufrad wurde als ein einzelnes monolithisches Teil mit CFD-optimierten radialen Schaufeln und einer bereits mit der Materialklasse und der einzigartigen Seriennummer markierten Nabeoberfläche neu gestaltet und anschließend durch Selektives Laserschmelzen (SLM) aus 316L-Edelstahl hergestellt.Die Rückenwinkel der Schaufeln, die Radien der Vorderkanten und die Austrittswinkel wurden mittels CFD optimiert, und das Nabe wurde topologisch für das Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht optimiert. Der 3D-markierte Text auf der Nabenfläche wurde im selben Druckvorgang als erhabene Zeichen gedruckt, wodurch jeglicher nachträgliche Markierungsprozess entfiel. Nach dem Druck wurde das Teil an der Wellenbohrung finishbearbeitet, dynamisch auf G2.5 ausgewuchtet und bei Volldrehzahl eingelaufen getestet.

 

Abbildung 1: Mit SLM gedruckter 316L-Turbinenrad — Vorderansicht mit 60+ radialen Schaufeln und 3D-markiertem Materialgrad auf der Nabenfläche

 

Abbildung 2: Dasselbe Rad von hinten — einteilige Nabe, keine geschweißten Schaufelfüße, bereit für die Finishbearbeitung der Wellenbohrung

4. Das Ergebnis

· 88% Stufenwirkungsgrad — +8 Punkte im Vergleich zum traditionellen geschweißten Design

· 25% Gewichtsreduktion — durch topologisch optimierte Nabe

· Einteiliger Aufbau — keine geschweißten Schaufelfüße, keine Ermüdungsbruchgefahr

· Integriere Nachverfolgbarkeit — Materialgrad + Seriennummer 3D-gedruckt im selben Druckvorgang

· G2.5-Auswuchtung bei 24.000 U/min — bereit für direkte Motoreinbaut

· Lieferzeit: 4 Wochen — von CAD zum ausgewuchteten, eingelaufen getesteten Rad

„Wir haben ein einteiliges Rad mit integrierter Nachverfolgbarkeit und einem Wirkungsgradgewinn von 8 Punkten erhalten.“Der 3D-gedruckte Text ist Teil des Teils — er kann nicht abfallen oder abgeschliffen werden.”

 

Material: 316L Edelstahl  |  Verfahren: SLM / Metalldruck  |  Anwendung: Turbinenrad für Zentrifugalpumpe