Aubes de turbine à gaz fabriquées par impression 3D

Des essais réalisés à plein régime ont permis de valider différentes aubes de turbine de conception classique fabriquées selon des méthodes de fabrication additive. Les composants ont ainsi été testés à une vitesse de 13'000 tours par minute et à des températures supérieures à 1250°C. De plus, Siemens a testé un nouveau modèle doté d’une géométrie différente et améliorée de refroidissement interne, qui a également été produit en un temps record à l’aide de la fabrication additive. Pour ces essais, l’équipe du projet international a utilisé des aubes fabriquées chez Material Solutions, entreprise de Worcester (Royaume-Uni) récemment acquise par Siemens.
Material Solutions est spécialisée dans la fabrication de pièces de turbomachines à haute performance pour des applications à hautes températures, où la précision, l’état de la surface et la qualité des matériaux sont essentiels pour garantir des performances élevées en service. Les essais ont été effectués sur le banc d’essai de Siemens, à l’usine de turbines à gaz industrielles de Lincoln au Royaume-Uni.

«Cette percée décisive ouvre la voie à l’utilisation de la fabrication additive dans le domaine de la production d’énergie, l’une des applications les plus complexes et exigeantes pour cette technologie», déclare Willi Meixner, CEO de la division Power and Gas de Siemens. «La fabrication additive est l’un des principaux piliers de notre stratégie de digitalisation. Cette réussite est le fruit du travail d’une équipe projet dédiée avec le soutien des ingénieurs de Siemens à Finspång (Suède), Lincoln et Berlin ainsi que des experts de Material Solutions. En seulement 18 mois, ils sont parvenus à réaliser toute la chaîne, depuis la conception des composants et le développement du matériel de fabrication additive jusqu’à la mise au point de nouvelles méthodes pour la simulation du calcul de la durée de vie (lifing) et le contrôle de la qualité. En alliant nos savoir-faire en matière d’impression 3D, nous allons pouvoir continuer à améliorer le développement technologique et les applications dans ce domaine», ajoute Willi Meixner.

Les aubes ont été montées sur une turbine à gaz industrielle SGT-400 de Siemens, d’une puissance de 13 MW. Elles ont été fabriquées à partir d’une poudre de superalliage polycristallin base nickel à haute performance, qui leur confère une grande résistance vis-à-vis des pressions et températures élevées ainsi que des forces de rotation qui apparaissent lors du fonctionnement de la turbine à vitesse élevée. À pleine charge, chaque aube tourne à une vitesse de plus de 1600 km/h, porte un poids de 11 tonnes (l’équivalent d’un bus rempli de passagers), est entourée d’un gaz d’une température de 1250°C et refroidi par de l’air à plus de 400°C. Ces aubes de conception avancée, testées à Lincoln, affichent de bien meilleures caractéristiques en termes de refroidissement et sont plus à même d’améliorer le rendement global des turbines à gaz de Siemens.

Lors de la fabrication additive, les objets sont créés couche par couche à partir d’un modèle CAO décomposé en tranches. Également connue sous le terme d’impression 3D, la fabrication additive présente beaucoup d’avantages, en particulier en ce qui concerne le prototypage rapide. «Cette technologie sensationnelle, en réduisant les délais de développement d’un prototype dans une proportion pouvant atteindre 90%, change complètement nos modes de fabrication», explique Willi Meixner. «Siemens est pionnier en matière de fabrication additive. Nous allons pouvoir accélérer le développement de nouveaux modèles de turbine à gaz, affichant un rendement plus élevé et une meilleure disponibilité, et nous serons en mesure de faire profiter plus rapidement nos clients de ces avancées. Cette nouvelle souplesse de fabrication permettra aussi à Siemens de développer ses produits en répondant encore mieux aux besoins de ses clients et de fournir des pièces de rechange à la demande.»

En février 2016, Siemens a ouvert un nouveau site de production pour l’impression 3D de composants à Finspång en Suède. Le premier composant de turbine à gaz Siemens de grande puissance fabriqué par impression 3D est entré en exploitation commerciale en juillet 2016.