Siemens Energy Technology Application Center

Das Siemens Energy Technology Applications Center (TAC) ist ein weltweit führendes Zentrum, das von der Konzeption bis zur Fertigstellung schnelle Lösungen für die Industrie entwickelt. Das Zentrum bietet Lösungen für industrielle Probleme im Design, Engineering und Rapid Prototyping und setzt dabei eine Vielzahl von Technologien ein, darunter Robotik, Scanning, digitale Werkzeuge sowie die additive und subtraktive Fertigung.

Das TAC unterstützt die globale Engineering-Sparte von Siemens Energy und löst Design- und Engineeringprobleme für eine Vielzahl von Kunden. Die jüngste Ergänzung zu den bestehenden Technologien von TAC ist Simulation von Markforged, mit der Ingenieure die Festigkeit und Steifigkeit ihrer Teile innerhalb ihres Eiger™-Workflows virtuell testen können. Es ermöglicht ihnen, den Einsatz und die Position von Endlosfasern im Druck zu optimieren, um die Festigkeit von Teile mit der Druckzeit und den Kosten in Einklang zu bringen.

Die Herausforderung

Siemens Energy stellt große Gasturbinenmotoren her, die von Kunden in aller Welt zur Stromerzeugung genutzt werden. Sie enthalten mehrere Ringe statischer Leitschaufeln, die den Strom heißer Gase nach der Zündung des Motorkraftstoffs steuern. Diese Inconel-Schaufeln besitzen keramische Beschichtungen, die sie vor Temperaturen von bis zu 2200° C schützen. Siemens Energy nutzt The Digital Forge, um Komponenten kontinuierlich zu testen und Design-Ideen zu entwickeln, die zur Verbesserung der Effizienz von Gasturbinen beitragen.

Eine der Technologien, die im TAC zur Validierung neuer Ideen eingesetzt werden, ist die Heißluft-Thermografie. Bei dieser Methode wird heiße Luft durch die internen Kühlkanäle der Schaufel geleitet, während eine Infrarotkamera das Ergebnis der thermischen Anregung auf der Oberfläche des Teils abbildet. Die Ingenieure suchen nach Bereichen mit übermäßigem Verschleiß oder Abnutzung der Keramikbeschichtung sowie nach Anzeichen von Spannung/Dehnung.

Die durchschnittlich etwa 7 kg schweren und bis zu 90 Zentimeter langen Schaufeln müssen sicher in einer Halterung gehalten werden, während Luft mit einer Temperatur von bis zu 315° C über sie geleitet wird, um die Betriebsbedingungen des Motors zu simulieren. Wenn eine Schaufel aus einer Halterung bricht, könnten Schaden in Höhe von mehreren tausend Euro entstehen. Darüber hinaus wäre es schwierig festzustellen, ob der Schaden durch den normalen Verschleiß des Motors oder durch das Herunterfallen der Schaufel verursacht wurde.

Früher wurden die Schaufeln bei diesen Tests mit einer Metall- und Dichtungsvorrichtung gehalten. Die Fertigung dieser Vorrichtungen dauerte jedoch bis zu 6 Wochen und die Formung der Silikondichtungen kostete bis zu 10.000 Euro. Deshalb begann die Mitarbeiter am TAC, diese aus Onyx mit einem hohen Anteil an Endloscarbonfaser zu fertigen, um sicherzustellen, dass sie stark genug sind, um die Schaufeln sicher zu halten. Dies führte jedoch manchmal zu länger als gewünschten Druckzeiten und zu Materialabfall.

Die Lösung

Mit Simulation von Markforged können die Mitarbeiter am TAC langlebige Halterungen zeit- und kosteneffizienter erstellen. Als sie die Gelegenheit hatten, eine Beta-Version von Eiger™ mit dem neuen Simulationstool zu testen, sahen sie darin eine Möglichkeit, ihre kundenspezifischen Halterungen hinsichtlich Festigkeit und Druckzeit zu optimieren.

Simulation brachte zutage, dass die Entwickler von Bauteilen regelmäßig mehr Carbonfasern verwendeten, als zum Erreichen der geforderten Festigkeit der Halterungen erforderlich waren, weil sie nicht wussten, wie sich die Endlosfaserverstärkung (Continuous Fiber Reinforcement, CFR) auf die Festigkeit oder Steifigkeit ihrer Bauteile auswirken würde. Mit Simulation konnten Sie diese Wissenslücke schließen und größeres Vertrauen in die Wirkung von CFR auf ihre Entwürfe gewinnen. So konnte die Verwendung von Carbonfaser um bis zu 60 % reduziert und die Druckzeiten um bis zu 75 % verkürzt werden.

Die Mitarbeiter am TAC entdeckte auch, dass Simulation Konstruktionsoptimierungen in einem Bruchteil der Zeit durchführen konnte, die ein Ingenieur für die herkömmliche Finite-Elemente-Analyse (FEA) zur Konstruktion der Halterung benötigte. Simulation von Markforged führt den Anwender durch die Anwendung von Randbedingungen und ist für die im Bauteil verwendeten Materialien von Markforged optimiert. Darüber hinaus ermöglicht die Software dem TACTeam, diese Strukturanalyse innerhalb seines Eiger™-Workflows effizient durchzuführen.

Die Herausforderung

In verschiedenen präzisen Prüfanwendungen werden Roboterarme eingesetzt, um Sensoren in der Nähe der zu prüfenden Teile zu positionieren. Die Halteplatte ist ein Ablage, die oben auf dem „Unterarm“ des Roboters sitzt Sie enthält speicherprogrammierbare Steuerungen, Sensoren, Luftsysteme und andere Komponenten zur Unterstützung der End-of-Arm-Sensoren. Das TAC erstellt Halteplatten in unterschiedlichen Konfigurationen für unterschiedliche Sensorpakete. Während der Anwendungsentwicklung können sich Anzahl und Art der Sensoren am Endeffektor des Roboters ändern, was zu einer Änderung der Halteplattenkonfiguration führt.

Die Herstellung herkömmlicher Halteplatten aus Metall nimmt viel Zeit in Anspruch und schränkt die Anzahl der möglichen Designänderungen an der Halteplatte während eines Projekts stark ein. Ein Nachteil der Verwendung des 3D-Drucks für große Halteplatten besteht darin, dass sie im Allgemeinen elastischer sind als herkömmliche Halteplatten aus Metall und der Übertragung unerwünschter Trägheitsrückmeldungen auf den Roboterarm nicht entgegenwirken.

Die Lösung

Die Produktion der Halteplatten für Roboterarme in Onyx ermöglicht es den Mitarbeitern am TAC, das Design der Halteplatte schnell zu überarbeiten. So können beispielsweise bei jeder neuen Version problemlos neue Befestigungspunkte und andere erforderliche Merkmale hinzugefügt werden. Mit Simulation von Markforged lassen sich schnell optimale Struktureigenschaften erzielen, die einen Ausgleich zwischen der Herstellungszeit und dem Bedarf an steiferen Strukturen schaffen. Durch die Verwendung von Simulation kann das Team am TAC vor dem Druck erkennen, wo Schwachstellen im Entwurf liegen.

Das Team am TAC hat sich für Simulation von Markforged entschieden, weil es ihm mehrere entscheidende Vorteile bietet. Zunächst bietet es eine schnelle und genaue Strukturanalyse von Bauteildesigns, die es den Mitarbeitern ermöglicht, den Bedarf an schnellen Druckzeiten mit den Anforderungen an strukturell solide Teile in Einklang zu bringen. Diese Daten helfen ihnen auch, die strukturellen Fähigkeiten der im 3D-Druck hergestellten Teile in Gesprächen mit Kunden nachzuweisen.

Die Mitarbeiter am TAC haben außerdem festgestellt, dass Simulation von Markforged ihnen helfen kann, die optimale Druckausrichtung für jedes Teil zu bestimmen, was sich nicht nur auf die Festigkeit des Teils, sondern auch auf die Druckzeit auswirkt.

Das Team am TAC ist davon überzeugt, dass sich diese Software im Laufe der Zeit zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Entwicklung von 3D-Druckteilen mit FFF (Fused Filament Fabrication) entwickeln wird.