Produzione

I ricercatori dell’ORNL hanno stampato in 3D una grande pala di turbina a vapore in metallo

Guidato da Siemens Technology, il progetto dimostra che WAAM è fattibile per la produzione scalabile di componenti critici che superano le 25 libbre

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I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell’Energia sono stati i primi a stampare in 3D le grandi pale rotanti di una turbina a vapore per la generazione di energia nelle centrali elettriche. Guidato dal partner Siemens Technology, il polo statunitense di ricerca e sviluppo di Siemens AG, il progetto dimostra che la produzione additiva ad arco di filo (WAAM) è fattibile per la produzione scalabile di componenti critici che superano i 25 libbre. Queste parti sono state tradizionalmente realizzate utilizzando strutture di fusione e forgiatura che si sono per lo più trasferite all’estero.

“Ora ci si rende conto che non possiamo ottenere pezzi fusi e forgiati in piccoli volumi che superino le 100 o 200 libbre dalla catena di approvvigionamento nazionale”, ha affermato Michael Kirka, ricercatore capo e leader del gruppo Deposition Science and Technology presso ORNL. “Ci ha messo in una posizione insostenibile, soprattutto perché vediamo come i conflitti internazionali hanno influenzato il movimento internazionale di forniture critiche”.

WAAM utilizza un arco elettrico per fondere il filo metallico in un processo controllato da un braccio robotico. Sottili strati di metallo vengono gradualmente costruiti nella forma desiderata. Una volta stampata, la parte viene lavorata per soddisfare i requisiti di progettazione finali. La tecnologia wire-arc utilizzata per produrre la pala della turbina è stata sviluppata in collaborazione con Lincoln Electric nell’ambito di un accordo di ricerca e sviluppo cooperativo.

La produzione ad arco a filo si basa sulla tecnologia della saldatura ed è quindi facilmente utilizzata per riparare parti esistenti. Ciò potrebbe consentire ad aziende come Siemens Energy, una società sorella di Siemens che è anche partner del progetto, di mantenere e aggiornare più facilmente le apparecchiature nell’ambito di contratti di servizio con le aziende elettriche.

Quando la ricerca sull’arco elettrico di Siemens è iniziata nel 2019, si è concentrata sulla riparazione dei componenti. Tuttavia, l’ambito di applicazione si è ampliato durante la pandemia di COVID-19, quando l’attesa per le nuove pale delle turbine a vapore fuse si è prolungata fino a due anni. Poi il progetto si è ampliato per includere la stampa di interi pezzi di ricambio perché questi tipi di motori a turbina sono abbastanza versatili da essere utilizzati nelle centrali a gas, carbone e nucleari, secondo Kirka.

I ricercatori dell’ORNL hanno sperimentato i materiali e sviluppato metodi migliori per valutare le prestazioni meccaniche delle parti stampate. La grande pala della turbina a vapore, realizzata in una lega di acciaio, è stata il culmine di questi sforzi.

“L’intento originale era quello di stampare solo il 25% della sezione superiore della lama”, ha affermato Anand Kulkarni, principale esperto senior di Siemens Technology. “Ma quando abbiamo visto il potenziale della configurazione dell’arco a filo presso ORNL, abbiamo pensato di poter realizzare l’intera lama in un’unica costruzione. La capacità di scansionare il pezzo mentre veniva costruito ci ha fornito le informazioni giuste da fornire al nostro personale addetto alle lavorazioni meccaniche e ci ha permesso di ridurre i tempi di produzione”.

Mentre l’attesa per fusioni e forgiature di grandi dimensioni è scesa a sette o otto mesi, ORNL è riuscita a stampare la lama in 12 ore. Compresa la lavorazione, secondo quanto riferito, una lama può essere completata in due settimane.

Sebbene l’arco a filo sia un’importante tecnologia di stampa 3D, secondo Kirka non era stato precedentemente utilizzato per realizzare un componente rotante di questa scala. Le pale delle turbine in genere non hanno superfici parallele o perpendicolari. Le loro curve sagomate si restringono verso la punta. “Essere in grado di stampare e rifinire qualcosa senza funzionalità di localizzazione è una sfida”, ha affermato. Inoltre, le parti più pesanti di queste dimensioni si raffreddano più lentamente, aumentando la sensibilità alla velocità e all’ordine di deposito degli strati.

Dopo aver lavorato il pezzo, Siemens collabora con l’Electric Power Research Institute sulla valutazione e sui test non distruttivi. “Stiamo ancora esaminando il lato delle proprietà per vedere come i risultati si confrontano con i metodi tradizionali”, ha affermato Kulkarni. Per le riparazioni, tuttavia, le caratteristiche non devono essere identiche: la sfida attuale è semplicemente mantenere i motori in funzione ed evitare tempi di fermo. “Ma se la qualità della parte è buona, ciò apre le porte a una maggiore produzione su richiesta, e questo caso di studio apre le porte a componenti di grandi dimensioni”.

Un vantaggio chiave della stampa 3D è che libera le aziende dalla dipendenza da strumenti di produzione specifici che non controllano, come gli stampi realizzati da un’unica fonderia per un unico progetto. Molti dei componenti su larga scala delle turbine odierne hanno diversi decenni, ma a causa delle chiusure e della delocalizzazione dell’industria, gli strumenti che li hanno creati sono di fatto scomparsi. La stampa 3D offre un’alternativa più affidabile perché può replicare qualsiasi progetto.

Altri ricercatori ORNL che hanno contribuito al progetto, finanziato dal DOE Office of Fossil Energy and Carbon Management, includono Ryan Duncan, Luke Meyer, Chris Masuo, Chris Ledford, Patxi Fernandez-Zelaia, Andrzej Nycz, Sarah Graham e Andres Marquez. Rossy.

La pala della turbina a vapore è stata stampata nel Manufacturing Demonstration Facility (MDF) del DOE. L’MDF, supportato dall’Ufficio per i materiali avanzati e le tecnologie di produzione del DOE, è un consorzio nazionale di collaboratori che lavorano con ORNL per innovare, ispirare e catalizzare la trasformazione della produzione statunitense.

 

 

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Andrea Gambini

Mi piace leggere e scrivere da sempre. Ho iniziato a lavorare in redazione come giornalista sportivo nel 2008, poi la passione per il giornalismo e per il mondo della comunicazione in generale, mi ha permesso di ampliare notevolmente i miei interessi, arrivando negli anni a collaborare con le più svariate testate giornalistiche online. Mi sono poi avvicinato alla stampa 3D, colpito dalle grandissime potenzialità di questa nuova tecnologia, che giorno dopo giorno mi hanno spinto a informarmi sempre più su quella che considero una vera rivoluzione che si farà presto sentire in tantissimi campi della nostra vita quotidiana.

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