Kovový 3D tisk za pár let změní strojírenskou výrobu. Německý Siemens už teď tiskne některé díly do starších turbín lasery z kovových prášků. Nové aplikace jeho vývojáři nadále hledají a učí se, jak možnosti nové technologie do výroby obřích plynových turbín zapojit.
Tohle místo má novátorství v genech. Před více než sto lety začal na berlínské Huttenstrasse stavět německý architekt a designér Peter Behrens pro společnost AEG továrnu na turbíny. Ikonická žlutá budova, jejíž kovová konstrukce připomíná pařížskou Eifellovku, je však dál symbolem této dnes už rezidenční čtvrti. AEG původně najalo Behrense jako uměleckého konzultanta, který vytvořil identitu celé společnosti počínaje logem přes design produktů až po vztahy s veřejností.
Díky spolupráci s výrobcem turbín se stal Behrens prvním industriálním designérem na světě. Teď v památkově chráněných budovách vyrábí plynové turbíny Siemens. Uprostřed areálu se v jedné z hal ukrývá nenápadná bílá kukaň. Stejně jako Behrensova architektura je i ona symbolem nové doby. Vevnitř ve stroji o velikosti menší knihovny tancují po šedivé ploše jasné bílé body. Občas od nich odskočí jiskra.
To lasery z kovového prášku právě spékají součástku, která by se jednou mohla montovat do turbín. Kovový 3D tisk už za pár let může představovat běžnou součást strojírenství. „Výroba plynových turbín je v Siemensu motorem pro zavádění této technologie,“ vysvětluje Sebastian Piegert, vedoucí skupiny pro aditivní výrobu, jak se 3D tisku také říká.
Novodobí vynálezci
Piegertův tým osmi expertů si často připadá jako parta vynálezců ze začátku průmyslové revoluce. „Umíme navrhovat hodně bláznivé věci, ale nevíme, jak dlouho v turbíně vydrží. Pořád zakopáváme o problémy, pro které musíme nacházet řešení,“ říká Piegert.
Nová technologie sice konstruktérům dává mnohem větší svobodu než tradiční obrábění, ale zase musejí nové součástky s revolučními tvary navrhovat jinak. Tiskárně je například nutné říci, aby pod určitou část postavila jakési opěrné lešení, aby se díl při výrobě nezhroutil. Nakonec se toto lešení odřízne. Nová technologie má i svá omezení. Jedním z nich je kvalita výsledného povrchu.
„Většinu vyrobených dílů stejně v posledním kroku obrábíte, abyste získali požadované parametry povrchu a geometrickou přesnost,“ uvádí Libor Beránek, vedoucí ústavu technologie obrábění a projektování na ČVUT v Praze. Čím složitější tvary konstruktéři po 3D tiskárnách požadují, tím komplikovanější je následná povrchová úprava.
„Proto je nutíme přemýšlet o tom, jestli hrubší povrch nemůže být někde výhodou. Třeba v místech, kudy prochází chladicí vzduch, může zlepšit účinnost chlazení,“ naznačuje Piegert.
Cílem novodobých vynálezců je, aby počet a složitost následných úprav vytištěného dílu byly co nejnižší. Aby se například otvory, kolem nichž laser vytvořil kovovou stěnu, nemusely kvůli přesnosti ještě převrtávat. U některých dílů by tím odpadly hodiny práce. „Spalovací hlava hořáku v turbíně by jednou mohla vypadat jako sprcha, v níž se míchá vzduch s plynem,“ ukazuje Piegert prototyp, který zdobí desítky malých dírek. Ty ovšem musejí být přesné, aby proudění plynů bylo optimální.
Hon za vyšší účinností
Cvak, cvak, cvak. Na stojanu se pomalu otáčejí lopatky největšího zdejšího výrobku, šestisetmegawattové turbíny 8000F.
Brusky po stranách ještě cizelují konce lopatek, aby se přesně vešly do skříní, kde se budou točit rychlostí tří tisíc otáček za minutu, při kterých na ně bude působit přetížení deset tisíc G. V Huttenstrasse zrovna pracují na výrobě 24 těchto turbín pro egyptského zákazníka. Je to místní chlouba, protože z dodávaných turbín má nejvyšší účinnost.
Na elektřinu přemění 61,5 procenta energie ze spáleného plynu. „My se ale snažíme tuto účinnost dál zvyšovat. Znamená to spalovat plyn při ještě větších teplotách. Součástky musejí být velmi komplexní a pro jejich výrobu je právě 3D tisk ideální,“ vysvětluje Piegert.
Každé zlepšení účinnosti turbíny o 1,5 procentního bodu uspoří elektrárně ročně 14 700 tun plynu. Do ovzduší díky tomu vypustí o 41 tisíc tun oxidu uhličitého méně. Laserem vytištěné součástky jsou také díky úspoře materiálu levnější. Kovové prášky stojí od 70 do 140 eur za kilogram, ale náklady na výrobu určují především konstruktéři.
Čím méně podpůrných lešení při tisku potřebují a čím tenčí navrhnou stěny součástky, tím levnější je její výroba. Prášek, který laser nespeče, se totiž dá opět použít až z 95 procent.
Rychlejší vývoj
Obrovskou výhodou 3D tisku je rychlost, s jakou se dají navržené prototypy vyrobit a začít testovat. Nový díl, který přivádí spaliny na lopatky rotoru, laser dokáže zhotovit za pár hodin.
Tradičními postupy by vývojáři čekali na díl skoro rok, než by mohli začít ověřovat, jestli navržená konstrukce funguje. „Kvalita testovaných prototypů se s každým dalším kusem zvyšuje. Ať už jde o přesnost či jemnost povrchu,“ pochvaluje si práci expertů z Huttenstrasse Tobias Müller z testovacího Clean Energy Center, které si Siemens postavil jižně od Berlína za 100 milionů eur.
Siemens zatím 3D tisk k sériové výrobě používá jen pro výrobu některých náhradních dílů. Typickým příkladem jsou hořákové hlavy pro turbínu 1000F, která se už nevyrábí. Jednu z nich firma instalovala také v brněnské teplárně. Kusová výroba jednotlivých dílů je tím rychlejší a levnější, než kdyby se jejich celá série dělala tradičními metodami.
Díly Siemens vyrábí v Anglii ve společnosti Material Solutions, v níž koupil 85procentní podíl, a ve švédském Finspangu, kde s 3D technologií začínal.
Otevřená budoucnost
Už příští rok by se měl rozběhnout sériový 3D tisk také u nově navržených součástek, které už jinak než novou metodou vyrobit nelze. Příkladem je asi osmicentimetrová hořáková tryska, jejíž dnešní podoba se musí svařovat ze tří částí. Nové díly se budou montovat hlavně do největších turbín 2000F, 4000F a 8000F.
„Jejich počet se bude dál zvětšovat. Budoucnost je otevřená. Jdeme po cestě, u níž nevíme, kde přesně skončí. Větší uplatnění 3D tisku v sériové výrobě očekávám během příštích tří až pěti let,“ odhaduje Piegert. Brzy na Huttenstrasse převezmou novou 3D tiskárnu, která bude umět vytisknout z kovů dvakrát větší výrobky než stávající stroj.
Trendem jsou tiskárny, které používají více laserových paprsků. Výrobci se už dostávají na technologii s osmi lasery.
Čím více jich je, tím je tisk rychlejší a levnější. Jedno je jisté. Lasery nevytlačí soustruhy a vrtačky. Velké a těžké díly nemá smysl vyrábět z prášků. Je ale pravděpodobné, že i v Behrensových halách už za pár let vyrostou desítky bílých kukaní, kde budou lasery modelovat zcela v tichosti novátorské lopatky, hořáky nebo trysky.
