Siemens ”unikt i världen” med system där 3d-utskrift industrialiseras

2020-02-25 06:00  

Turbintillverkaren var tidigt ute med additiv tillverkning i metall. Nu har Siemens Industrial Turbomachinery i Finspång öppnat den första verkstaden som från start är byggd för renodlad serieproduktion i metallprinting.

Den nyöppnade 3d-verkstaden möter med stora öppna ytor mellan de splitter nya 3d-skrivarna och pulverrengöringsstationerna, där komponenterna vänds i olika vinklar medan överflödigt pulver omsorgsfullt vibreras ur.

– Vi är bland de första som har det här systemet igång, det är unikt i världen skulle jag påstå, säger verkstadschefen Anders Persson.

Fortfarande har man en hel del manuell hantering i den nya verkstaden.

– Men systemet är förberett för robotiserad urplockning och för att självgående AGV-truckar ska kunna transportera modulerna från skrivarna till pulverborttagning och efterbearbetning, säger Anders Persson.

Utbytesdel tillverkad med 3d-skrivare. Foto: Peter Holgersson

Man har inlett försöksverksamhet med en kollaborativ robot som öppnar skrivarluckorna och städar ur maskinerna.

– Testerna har visat att det fungerar. Just nu är den ute hos en underleverantör för finjustering, säger Andreas Graichen, från Siemens AM Center of Competence i Finspång.

Steg två: Centralisera pulverhanteringen

Nästa steg blir att centralisera pulverhanteringen. Idag står operatörer och silar överblivet pulver i små mekaniska enheter, men med start i år ska pulvret automatiskt sugas in i stora pulverbehållare. Dessa ska sedan gå med AGV:er till en gemensam avdelning där det silas och kvalitetstestas innan det går tillbaka ut i produktionen.

Läs mer: Robotarna hanterar 200 ton ost i veckan

Den nya serietillverkningen 3d-printar främst komponenter till Siemens industriella gasturbiner. Tekniken som används är lasersintring där en laser ritar upp detaljen, lager för lager, på en bädd av metallpulver. När mönstret är klart täcks bädden av ett nytt pulverlager och lasern börjar om.

3d är en produktionsmänniskas dröm. Det kan gå en vecka från idé till färdig produkt, säger Hans Holmström, vd för Siemens Industrial Turbomachinery AB.

Fördelarna framför traditionella metoder är många. Hans Holmström tar en specifik komponent, ett bränslemunstycke till en viss gasturbin, som exempel.

– Tidigare tillverkades det av fyra eller fem delar som svarvades fram och sedan löddes ihop. Nu printas det i ett stycke vilket både sparar tid och gör av med 65 procent mindre material, säger han.

Turbinmontagehallen hos Siemens i Finspång. Här används de 3d-utskrivna delarna. Foto: Siemens

Tekniken ger dessutom ett solidare bränslemunstycke, enligt Vladimir Navrotsky, som är globalt ansvarig för Technology & Innovation inom Siemens serviceverksamhet.

– Man slipper svetsfogar, där det potentiellt kan bli sprickbildning. Så byggkvalitet och livslängd ökar också, säger han.

Siemens mål: Skriva ut 200 000 komponenttyper

Totalt har man över 40 laserenheter här i Finspång. Maskinerna, som går 24 timmar om dygnet, har i skrivande stund printat omkring 6 000 komponenter. För nästa år är målet 15 000 komponenter, och till 2025 siktar Siemens på att printa 200 000 olika komponenttyper globalt.

Vladimir Navrotsky betonar dock att AM-verkstaden inte är något självändamål.

– Vi skaffar inte printers först och börjar bygga komponenter utifrån vad vi kan printa. Vi ser vad vi behöver printa, och skaffar maskiner utifrån det. Kostnaden för den här tekniken är fortfarande väldigt hög, så det är viktigt att hitta de rätta applikationerna, säger han.

Läs mer: 3d-printing i metall ökar explosionsartat hos företag

Anders Persson framhåller att additiv tillverkning i metall fortfarande inte är en etablerad industriell metod:

– Vi är fortfarande banbrytare, och lär oss fortfarande hela tiden. Vi fokuserar på de områden där vi tror att AM gör den största nyttan genom att öka verkningsgraden, minska emissionerna, där printingens designfrihet kommer som mest till sin rätt, och så vidare. Men vi har en stor fördel i att vi kan jobba med design och provning parallellt med att våra turbiner går ute på fältet. Våra första printade komponenter har nu totalt omkring 1,5 miljoner driftstimmar ackumulerat, säger han.

Anders Persson, verkstadschef. Foto: Peter Holgersson

För även om den nya AM-verkstaden är den första som byggts särskilt för integrerad serietillverkning, är 3d-printing i metall i sig inget nytt för Siemens i Finspång.

Redan 2009 skaffade man den första skrivaren, och printade komponenter har funnits ute hos kunder sedan 2013. Tre år senare gick det egentliga startskottet, när man invigde en särskild verkstad för 3d-printing. Där utfördes reparationer och prototypisering samt viss serietillverkning, som nu alltså flyttat till en egen verkstad.

Patenterad metod

I den ursprungliga 3d-verkstaden annat reparerar man fortfarande slitna brännare, från de gasturbinmodeller som Siemens levererat genom åren och sköter servicen på. Den patenterade metoden kallas rabutir (Rapid Burner Tip Repair), och utförs i en skrivare som specialbeställts för ändamålet och kan printa ovanpå befintliga komponenter.

– Enkelt uttryckt kapar vi av spetsen på brännaren och printar dit en ny, säger Vladimir Navrotsky.

På detta sätt har reparationstiden kortats ner med cirka 90 procent.

– Vid det här laget har vi gjort det över tusen gånger och vill skala upp verksamheten till att även printa reparationer på slitna turbinblad för att öka deras livslängd, säger Vladimir Navrotsky.

2017 kom ett tekniskt genombrott, när man lyckades printa gasturbinskovlar som klarade tester i sin normala miljö inuti en gasturbin. Detta innebär en rotation på 13 000 varv per minut, och temperaturer över 1 250 grader.

Magnus Hallberg, AM-ansvarig vid utvecklingsavdelningen. Foto: Peter Holgersson

– I dag har vi ingen printning av roterande delar, men det gav värdefull teknisk feedback, bland annat om värmeöverföring i materialen och om hur kylningen funkade, säger Magnus Hallberg, AM-ansvarig vid utvecklingsavdelningen.

Genombrottet, som ansågs ligga på det möjligas gräns, medförde också att American Society of Mechanical Engineers (ASME) tilldelade Siemens sitt årliga Emerging Technology Award, för deras enastående teknologiska prestation.

– Det gjorde också att vi kom över en viktig mental barriär. Vi såg att det här fungerar och att det är värt att göra. Som att gå ut på isen och märka att den håller, säger Magnus Hallberg.

Flera digitala innovationer

Utvecklingsarbetet inom 3d har även lett till flera digitala innovationer. En av de viktigaste är den så kallade AM-monitorn, som övervakar tillverkningen och hjälper till att säkerställa kvaliteten på produktionen.

– I vanliga fall fotas varje skikt och kontrolleras manuellt av en person, och det är flera tusen bilder som ska gås igenom. Vår AM-monitor är baserad på machine learning-algoritmer som granskar varje skikt och klassar varje bild i nära realtid. På så sätt kan man avbryta printern direkt när något blir fel, och förhindra att man slösar material och energi. Fortfarande måste en operatör ingripa manuellt, men i förlängningen vill vi automatisera processen, säger Andreas Graichen.

Maskinhall för 3d-skrivare hos Siemens i Finspång. Foto: Peter Holgersson

AM-verksamheten har i förlängningen även möjliggjort ett projekt, där Siemens med flera samarbetspartners ska utforska hur vätgas tillsammans med solpaneler och gasturbiner kan användas för att ställa om energisystemet. Med byggstart under våren ska man konstruera en demoanläggning för att framställa egen vätgas med hjälp av en elektrolysör.

Vätgas i stället för naturgas

Vätgasen ska användas i stället för naturgas under gasturbinernas testkörning. Målet är främst att lära sig mer om hur förnybar energi och gasturbiner fungerar tillsammans med olika former av lagring.

Värmeutvecklingen är dock högre när man bränner vätgas än när man använder naturgas, vilket kräver mer omfattande kylning av brännarspetsarna. Och det är här 3d-printingen kommer in i bilden.

Läs mer: Ultraljud kan ge starkare 3d-utskrivna legeringar

– Den har möjliggjort en geometri där gasen strömmar genom en fackverkskonstruktion, vilket sänker temperaturen med cirka 70 grader. Den möjliggör även konstruktioner där man kan använda olika restgaser, sådant som idag bara facklas bort, säger Magnus Hallberg.

Genom den dedikerade verkstaden går serietillverkningen av gasturbinkomponenter in i en ny fas.

– Målet är en verkstad som printar metall lika lätt som vi idag trycker ut papper. Men det ligger några år in i framtiden, säger Andreas Graichen.

Siemens i Finspång tillverkar gasturbiner

Siemens Industrial Turbomachinery AB (SIT) tillverkar gasturbiner och gasturbinbaserade lösningar för produktion av elektricitet, ånga och värme, och som drivkällor för kompressorer och pumpar. Alltifrån utveckling till service sköts inhouse.

Turbinverksamheten har 2 400 anställda i Finspång, och cirka 120 anställda i Trollhättan. På deras R&D-avdelning arbetar omkring 400 personer.

SIT omsätter cirka 10 miljarder kronor och exporterar lejonparten av sin produktion.

Tommy Harnesk

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt