Stampa 3D: BAM utilizza il bombardamento di neutroni per determinare le sollecitazioni nelle turbine a gas
La stampa 3D apre possibilità completamente nuove, ad esempio nella produzione di pale di turbine. Tuttavia, i componenti fabbricati in questo modo spesso contengono sollecitazioni che possono successivamente portare a crepe. Un team BAM è ora riuscito a misurare in modo non distruttivo queste sollecitazioni interne su componenti complessi, una chiave per migliorare i processi di produzione.
Le pale delle turbine a gas devono resistere a carichi estremi: oltre all’elevata pressione e alle enormi forze centrifughe, sono anche esposte ad alte temperature. Per aumentare ulteriormente la resa energetica, dovrebbero tollerare temperature che in realtà sono già al di sopra del punto di fusione del materiale. Ciò si ottiene con pale di turbina cave che vengono raffreddate dall’interno con aria.
Tali lame possono essere prodotte utilizzando processi di produzione additiva: il componente viene costruito strato per strato con un laser da materiale di partenza in polvere mediante fusione selettiva. Sulla base del modello delle ossa degli uccelli, le strutture reticolari filigranate all’interno delle pale cave della turbina forniscono la stabilità necessaria.
“Con metodi di produzione comuni come la fusione e la fresatura, non è possibile produrre componenti complessi con tali strutture in filigrana”, afferma Tobias Fritsch, fisico presso il Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM).
Tuttavia, l’apporto di calore locale dal laser e il rapido raffreddamento creano anche tensioni nel materiale. Le aziende produttrici finora le hanno eliminate mediante successivo trattamento termico. Ma questo costa tempo e denaro.
Le sollecitazioni possono essere determinate mediante raggi X. Ma non penetrano in profondità nel componente. E raggiungono i loro limiti con strutture cave filigranate a causa della complessità geometrica.
Il team BAM, che si concentra sulla ricerca sulla produzione additiva, ha avuto una nuova idea: hanno deciso di bombardare gli oggetti della stampante 3D con un fascio di neutroni. Penetra più in profondità ed è piegato in modo caratteristico dalla struttura reticolare degli atomi nei punti ad alta tensione.
Il team BAM è stato supportato da due importanti partner di cooperazione: è stato in grado di utilizzare la sorgente di neutroni di ricerca del Centro Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) dell’Università tecnica di Monaco di Baviera per i suoi esperimenti. E il produttore di turbine a gas Siemens Energy ha fornito un componente prodotto in modo additivo: una struttura reticolare di soli pochi millimetri, stampata da una lega di nichel-cromo.
“Era fondamentale localizzare i punti di misurazione nel modo più preciso possibile utilizzando la tomografia computerizzata”, afferma Fritsch. “Siamo stati in grado di localizzarli con precisione sotto il bombardamento di neutroni, e quindi anche le tensioni”.
Ma ovviamente non tutte le aziende che producono turbine a gas hanno una fonte di neutroni. In una fase successiva, i ricercatori vogliono ora scoprire quali parametri possono portare a stress durante la stampa 3D. “Probabilmente sarà fondamentale distribuire il calore nel modo più uniforme possibile durante la stampa”, afferma Tobias Fritsch. Il team BAM spera di essere presto in grado di fornire all’industria preziose informazioni su come migliorare la qualità delle turbine a gas ad alta efficienza energetica della stampante 3D.
