タービン部品向け3Dプリント：開発加速、性能向上、サステナビリティ

3Dプリントがターボ機械製造におけるプロトタイピング、生産、メンテナンスを変革しています。

この技術は、幅広いターボ機械コンポーネントで鋳造と切削加工の強力な代替手段を提供します。

今週のアプリケーションスポットライトでは、ターボ機械製造における3Dプリントの具体的メリットを検証し、説得力のある実例を紹介します。

シリーズの他の応用例：

熱交換器向け3Dプリント
ベアリング向け3Dプリント
自転車製造向け3Dプリント
デジタルデンティストリー・クリアアライナー製造向け3Dプリント
医療インプラント向け3Dプリント
3Dプリントロケットと宇宙船製造の未来
フットウェア製造向け3Dプリント
電子部品向け3Dプリント
鉄道業界における3Dプリント
3Dプリント眼鏡
最終パーツ生産向け3Dプリント
ブラケット向け3Dプリント
タービン部品向け3Dプリント
3Dプリントが実現する高性能油圧コンポーネント
3Dプリントが原子力産業のイノベーションを支援する方法

ターボマシンとは？

ロケットやジェットエンジンから風力タービン、水力発電まで、あらゆる現代の動力システムはターボ機械に依存しています。ターボマシンとは、ローターまたはインペラが流体（ガス、蒸気、水、空気）を通過し、流体のエネルギーを利用可能な機械動力に変換する回転装置です。

ターボ機械向け3Dプリントのメリット

製品開発の高速化

3Dプリントは設計からプロトタイプまでのサイクルを劇的に短縮します。エンジニアは金型製作を必要とせず、デジタルファイルを直接プリンターに送り、数時間〜数日で機能パーツを製造できます。

Siemensは2017年、このアプローチでガスタービンブレードの開発とテストを行いました。プロトタイプをプリントすることで、開発・検証期間を2年からわずか2ヶ月に短縮し、その期間で単一設計のテストから10バリエーションの評価へ移行しました。

ブレードが実運転条件でテストできたため、Siemensは冷却システムを改良しブレード寿命を延長。今後3〜5年で完全3Dプリントブレードへの移行を予定しています。

生産の高速化

Sulzerは金属3Dプリントと切削加工を組み合わせ、流体を加速して圧力を生み出す重要なポンプコンポーネント「クローズドインペラ」を製造。

従来のクローズドインペラ鋳造では表面欠陥が生じやすく、最大35日かかります。Sulzerのハイブリッドプロセス（鍛造ビレットの5軸切削＋レーザー金属堆積（LMD））は、約48時間で完成パーツを製造します。

設計の自由度

3Dプリントはコンポーネント統合を可能にし、組立工程を削減して強度を向上させます。Siemensはガスタービン燃料スワーラーを、10個の鋳造・切削ピースから単一の積層造形パーツへ再設計。

再設計されたスワーラー（溶体強化インコネル合金製）は、EOS M 400-4クアッドレーザー粉末床溶融ビルド1回で16ユニットを最大100時間で製造可能です。

修理の迅速化

選択的レーザー溶解（SLM）とLMDは、摩耗パーツの修理も効率化します。SiemensはSLMバーナーチップ修理を先駆け、損傷箇所のみをトリミングしチップを層ごとに再構築。

このプロセスで修理時間を90%削減。2013年以来、Siemensは2,000基以上のバーナーを修理しています。またLMDでブレードとベーンを交換し、従来の溶接を不要にしています。

3Dプリント——ターボ機械の未来？

積層造形は製品開発を加速し、コンポーネント性能を向上させ、修理サイクルを短縮します。次のフロンティアは統合センサーです：OptomecはAerosol Jet技術でタービンブレードにひずみセンサーを直接プリントし、リアルタイム構造監視を可能にしました。

GE、オークリッジ国立研究所、Xerox傘下のPARCが130万ドルを獲得し、3Dプリントタービンコンポーネントの設計・検証タイムラインを最大65%短縮。目標は、極限温度と応力に耐える欠陥フリー・高性能・多機能パーツです。

ターボ機械向け3Dプリントはまだ新興段階ですが、その勢いは疑う余地がありません。メーカーが耐久性と効率を追求する中、積層造形は将来のタービン設計に不可欠なものになるでしょう。