애플리케이션 스포트라이트:터빈 부품용 3D 프린팅

3D 프린팅은 터보 기계 제조의 프로토타입, 생산 및 유지 관리를 향상시키고 있습니다.

이 기술은 광범위한 터보 기계 구성 요소에 대한 주조 및 기계 가공에 대한 좋은 대안을 제공합니다.

이번 주 애플리케이션 스포트라이트에서는 터보기계 제조에서 3D 프린팅의 이점을 살펴보고 실제로 작동하는 기술의 몇 가지 흥미로운 예를 살펴봅니다.

이 시리즈에서 다루는 다른 애플리케이션 살펴보기:

열 교환기를 위한 3D 프린팅

베어링용 3D 프린팅

자전거 제조를 위한 3D 프린팅

디지털 치과 및 투명 교정기 제조를 위한 3D 프린팅

의료용 임플란트를 위한 3D 프린팅

3D 인쇄 로켓과 우주선 제조의 미래

신발 제조를 위한 3D 프린팅

전자 부품용 3D 프린팅

철도 산업의 3D 프린팅

3D 인쇄 안경

최종 부품 생산을 위한 3D 프린팅

브라켓용 3D 프린팅

터빈 부품용 3D 프린팅

3D 프린팅으로 유압 부품의 성능 향상

3D 프린팅이 원자력 산업의 혁신을 지원하는 방법

터보머신이란 무엇입니까?

세상은 터보 기계로 작동합니다. 터보 기계는 로켓과 제트 비행기에서 발전소와 풍차에 이르기까지 모든 곳에서 볼 수 있습니다. 간단히 말해서, 터보 기계는 회전하는 바퀴(로터 또는 임펠러라고 함)가 유체(가스, 증기, 물 또는 공기일 수 있음)에 잠겨 있는 회전 기계입니다.

터보머신은 유체에 저장된 에너지를 사용 가능한 동력으로 변환하는 매개체 역할을 합니다. 이것은 풍력 터빈과 수력 발전이 자연에서 발견되는 에너지를 이용할 수 있게 하는 것과 동일한 기술입니다.

터보기계를 위한 3D 프린팅의 이점

임펠러, 스월러, 버너, 펌프 및 압축기와 같은 터보 기계 구성 요소는 매우 높은 부하 및 온도 환경에서 사용되므로 강도와 내구성이 우수해야 합니다.

대부분의 경우 터보 기계 부품은 주조 공정에서 생산되며, 이 주조 공정에서는 용융 금속을 일부로 성형된 금형에 붓습니다. 이 프로세스는 특히 툴링의 설계 및 제조에 대한 긴 리드 타임 때문에 매우 노동 집약적이고 시간 소모적인 경향이 있습니다.

또한 터보 기계 제조 부문은 점차 새로운 에너지 경제로 전환하고 있습니다. , 발전소와 항공기에 사용되는 터보 엔진의 효율성을 개선하고 배기 가스를 줄이기 위한 엄격한 요구 사항이 있습니다.

결과적으로 터보 기계 제조에 관련된 회사는 이러한 문제를 해결하고 성능이 더 좋고 지속 가능한 터보 기계 구성 요소를 생산하기 위해 3D 프린팅을 포함한 새로운 제조 방법을 모색하기 시작했습니다.

3D 프린팅으로 터보 기계 부품을 생산할 때의 주요 이점은 다음과 같습니다.

빠른 제품 개발

3D 프린팅은 새로운 터보기계 부품의 개발 주기를 줄이는 데 도움이 됩니다. 기능적인 프로토타입을 만들기 위해 엔지니어는 금형과 같은 도구를 설계하고 생산할 필요가 없으며 때로는 최대 몇 개월이 소요될 수 있습니다. 3D 프린팅을 사용하면 프로토타입의 디자인이 3D 프린터로 직접 전송되며 기술에 따라 생산되는 데 몇 시간에서 며칠이 소요될 수 있습니다.

Siemens의 터빈 블레이드 개발이 한 예입니다. 2017년에 이 회사는 3D 프린팅을 사용하여 가스 흐름을 안내하기 위해 터빈 로터 주변에 조립된 작은 부품인 가스 터빈 블레이드의 기능 프로토타입을 개발하고 테스트했습니다.

Siemens에 따르면 3D 프린팅 블레이드 프로토타입은 구성 요소의 개발 및 검증 시간을 2년에서 단 2개월로 단축했습니다. .

전통적인 제조 방식에서는 회사가 2년 동안 한 부품만 테스트할 수 있었지만 3D 프린팅을 통해 팀은 2개월 동안 최대 10개의 서로 다른 디자인을 테스트하고 검증할 수 있었습니다.

또한 이 기술 덕분에 실제 조건에서 기능 블레이드를 테스트하고 냉각 시스템을 검증하고 블레이드 디자인을 지속적으로 개선할 수 있었습니다. 그 결과 터빈 냉각 시스템의 기능이 크게 향상되어 블레이드의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.

현재 블레이드는 주조되어 있지만 Siemens는 향후 3~5년 내에 블레이드의 다이렉트 3D 프린팅으로 이동할 것으로 예상하고 있습니다.

더 빠른 생산

터보기계 부품의 생산도 3D 프린팅의 도움으로 가속화될 수 있습니다. 대표적인 예로 금속 3D 프린팅과 기계 가공을 결합하여 폐쇄형 임펠러를 생산한 유체 엔지니어링 회사인 Sulzer가 있습니다.

임펠러는 펌프의 회전 부품입니다. 모터에서 유체로 에너지를 전달하고 유체를 가속하여 압력을 형성합니다. 개방형 임펠러와 달리 폐쇄형 임펠러에는 추가로 전면 덮개가 부착되어 있습니다.

전통적으로 이 구성 요소는 주조됩니다. 그러나 이 경우 주조 공정은 내부 및 표면 결함이 작고 표면 품질이 제한적이며 리드 타임이 최대 35일인 임펠러를 생산할 위험이 있습니다.

공정 속도를 높이기 위해 Sulzer는 적층 가공과 절삭 가공이 하나의 공작 기계에 결합된 하이브리드 접근 방식을 고안했습니다.

폐쇄형 임펠러의 공정은 5축 밀링 작업으로 최종 형상으로 가공되는 작은 단조 빌릿으로 시작됩니다. 임펠러 코어가 완성되면 최종 임펠러의 나머지 형상은 LMD(레이저 금속 증착) 프로세스의 도움으로 방사형으로 구축됩니다. 이 과정에서 금속 분말은 집중된 레이저에 의해 용융되고 빌드 플랫폼에 연속적으로 추가되는 공급 노즐을 통해 밀려납니다.

Sulzer는 이 접근 방식을 통해 궁극적으로 약 48시간 만에 폐쇄형 임펠러를 생산할 수 있게 될 것이라고 밝혔습니다. 이는 주조 공정에 비해 시간이 크게 단축된 것입니다.

디자인 유연성

터보기계용 3D 프린팅의 가장 큰 장점 중 하나는 부품 설계를 혁신할 수 있다는 것입니다. 예를 들어 여러 조각으로 구성된 구성 요소가 단일 부품으로 설계되는 경우 부품 통합이 있습니다. 이 설계 방식은 조립 시간을 줄이는 데 도움이 되며 구성 요소의 강도와 내구성도 향상시킵니다.

Siemens는 3D 프린팅의 도움으로 가스터빈 연료 소용돌이를 재설계하여 이러한 이점을 보여주었습니다. 스월러는 버너에 의해 연소되기 전에 공기와 연료를 혼합하는 역할을 하는 부품입니다.

일반적으로 스월러는 함께 용접된 10개의 주조 및 기계 부품으로 구성됩니다. 가공 및 용접 단계는 일반적으로 주조 시간을 제외하고 기존 설계의 스월러당 약 6시간의 처리 시간을 차지합니다.

Siemens는 제조 시간 단축 가능성에 힘입어 베인, 슈라우드 및 마운트를 단일 적층 제조(AM) 설계로 통합하여 스월러 어셈블리를 재설계했습니다. 응용 분야의 고온 요구 사항을 충족하기 위해 스월러는 독점 솔루션 강화 인코넬 합금으로 제작되었습니다.

현재 이 회사는 EOS M 400-4에서 한 번에 16개의 스월러를 인쇄할 수 있습니다. 쿼드 레이저 파우더 베드 퓨전 시스템으로 전체 빌드에는 최대 100시간이 소요됩니다.

터빈 부품 생산에 3D 프린팅을 성공적으로 적용함으로써 Siemens는 이 기술이 미래에 훨씬 더 강력하고 환경 친화적이고 내구성 있는 가스 터빈 및 부품을 개발하는 데 도움이 될 것이라고 확신합니다.

빠른 수리

3D 프린팅의 또 다른 이점은 마모된 구성 요소를 기존 수리 방법보다 빠르게 수리할 수 있다는 것입니다. SLM(선택적 레이저 용융) 및 LMD는 부품 수리에 사용할 수 있는 두 가지 기술입니다.

3D 프린팅 터보기계 부품 외에도 Siemens는 손상된 부품을 수리하는 방법도 개발했습니다. 프로세스의 예는 버너 팁 수리 절차입니다. 버너의 끝은 연소실 내에서 뜨거운 가스와 열복사에 노출되어 빠르게 마모되고 교체해야 합니다. Siemens는 맞춤형 SLM 기계를 개발하여 보다 빠르고 경제적인 수리 절차를 수립할 수 있었습니다.

3D 프린팅 사용의 주요 이점은 SLM 수리가 제거 및 교체할 버너 팁의 훨씬 더 작은 영역을 필요로 한다는 것입니다(이미지 참조).

일단 손상된 영역이 절단되면 , 그러면 전체 버너가 SLM 시스템에 배치되며, 여기서 카메라는 버너 팁 면의 정확한 3D 위치를 식별하고 그 위에 CAD 모델을 투영합니다. 그런 다음 새로운 팁이 레이어별로 만들어집니다.

Siemens에 따르면 이 접근 방식을 사용하면 수리 시간을 90%까지 줄일 수 있습니다. 2013년 수리용 SLM을 도입한 이후로 Siemens는 2000개 이상의 버너를 수리했습니다.

Siemens는 SLM 외에도 블레이드와 베인을 수리하여 기존 용접 기술을 대체하는 데 사용되는 LMD 프로세스도 인증했습니다.

3D 프린팅 – 터보 기계의 미래?

터보기계 제조에서 AM 기술은 제품 개발을 가속화하고 더 나은 성능의 터보기계 부품을 생산하며 손상된 구성요소를 보다 빠르고 비용 효율적으로 수리하는 데 도움이 됩니다.

그렇지만 AM 기술은 여전히 ​​제공할 수 있는 잠재력이 많습니다. 특히 흥미로운 영역 중 하나는 3D 인쇄 센서로, 터보 기계 부품에 배치하여 구조적 성능을 모니터링할 수 있습니다.

전자 및 금속 3D 프린터 제조업체인 Optomec은 Aerosol Jet 기술을 사용하여 스트레인 센서를 터빈 블레이드에 직접 3D 프린팅함으로써 이러한 가능성을 이미 입증했습니다.

또한 GE, Oak Ridge 국립 연구소 및 Xerox 소유의 PARC는 최근 3D 인쇄 터빈 구성 요소의 설계 및 검증 일정을 65%까지 단축하기 위해 130만 달러 이상을 지원받았습니다.

팀은 기술의 한계를 뛰어 넘어 고온과 스트레스를 견딜 수 있는 결함 없는 고성능 3D 인쇄 다기능 디자인을 제공하는 것을 목표로 합니다.

분명히 터보 기계 부품에 3D 프린팅을 사용하는 것은 이제 막 주목을 받기 시작했지만 둔화될 기미는 보이지 않습니다. 앞으로 점점 더 많은 제조업체가 이 기술을 채택하여 더 내구성 있고 효율적인 터보기계 제품을 설계하고 생산할 수 있게 될 것입니다.