Laserschnelle Wartung

Das Laserauftragschweißen revolutioniert die Wartungszeit von Turbinen.  Ein Besuch in einer der modernsten Turbinen-Service-Werke der Welt.

Zeit ist Geld: Das ‚Laser Cladding Center´ im Siemens-Turbinenwerk in Nürnberg ermöglicht die Wartung und Reparatur von Turbinenkomponenten in Tagen statt Wochen. Das bedeutet für die Kunden weniger Produktionsausfall.

 

Von Hubertus Breuer

Lange darf die Dampfturbine nicht bleiben. Nachdem sie mithilfe von Tiefladern und einem Frachtflugzeug den langen Weg von einer Methanolanlage in Saudi-Arabien nach Nürnberg gefunden hat, liegt ihr Innerstes aufgebockt im Turbinenwerk der Siemens AG. Genauer gesagt, befindet es sich in einer Werkshalle im eingehausten ‚Laser Cladding Center‘ (LCC), das 2016 eröffnet wurde. Spezialität: Laserauftragsschweißen zur Wartung und Reparatur von Turbinen. Mit traditionellen Schweiß- und Beschichtungsmethoden nahm das früher mehrere Wochen in Anspruch. Jetzt sind es nur noch Tage – und das Ergebnis ist qualitativ besser denn je.

 

Über der acht Meter langen, über 20 Tonnen schweren, mit Kontrollrädern, Schaufeln, Kugellager und Dichtungen bestückten Stahlstange – auch ‚Läufer‘ genannt – erhebt sich ein orangefarbener Roboterarm. An seinem Ende findet sich eine Laserdüse, die auf die Turbine gerichtet ist. „Die verkürzte Wartungszeit von Turbinen ist revolutionär“, sagt Thorsten Scheller, Direktor für Produktmanagement bei Siemens Power Generation Services, vor dem offenen Tor des LCC stehend. „Mit dem LCC ersparen wir Kunden viel Geld, Stillstand ist teuer. In einer Raffinerie gehen schon einmal eine Million Euro pro Tag verloren.“ 

Kooperation mit Fraunhofer IWS

Dampf-, Gasturbinen und Kompressoren, sei es in Kraftwerken, in der Chemieindustrie, Bergwerken, Raffinieren, Fernwärme- oder Müllverbrennungsanlagen, müssen regelmäßig überholt werden. Neben der gebotenen Qualität und Zuverlässigkeit ist heute der entscheidende Faktor Geschwindigkeit. Deshalb bemühen sich die Betreiber, ihre Turbinen nur zu warten, wenn es wirklich nötig ist. Dabei können Fernüberwachungssysteme helfen, die genaue Auskunft über ihren Zustand liefern. Doch lässt sich die Überholung nicht mehr vermeiden, zählt jeder Tag. Deshalb wird beim Abbau meist kühle Luft in die Turbine geblasen, was die Abkühlzeit bis um die Hälfte verkürzt. Doch erst einmal in der Werkstatt zur Wartung angekommen, ließ sich der Prozess bis vor kurzem kaum beschleunigen.

 

Die neue Methode des Laserauftragsschweißens, das in der Branche meist unter der englischen Abkürzung LMD für ‚Laser Metal Deposition‘ (LMD) firmiert, gehört zu den additiven Fertigungsverfahren. Darunter fällt auch der bekanntere 3D-Metalldruck, bei dem ein Laser ein Bauteil aus einem Pulverbett schweißt. Laserauftragsschweißen wird dagegen derzeit vor allem in der Fläche eingesetzt. Am LCC etwa, um Riefen oder andere Beschädigungen in der Oberfläche einer Turbine zu reparieren. Dabei blasen in den Laserkopf integrierte Düsen Metallpulver in den gebündelten Lichtstrahl. Ein Schmelzbad entsteht auf der Oberfläche und formt eine Metallschicht. „Um 2014 wurde uns klar, dass wir LMD für den Turbinenservice einsetzen sollten“, sagt Scheller. „Deshalb haben wir uns 2015 mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden zusammengetan, um das LCC zu entwickeln.“

 

Das Fraunhofer-IWS ist Experte für Laserauftragsschweißen, insbesondere für das innovative Design der Laserdüsen (siehe Interview). Siemens wiederum kennt wie kein Zweiter die Anforderungen, die eine moderne Anlage für die Wartung von Turbinen erfüllen muss. Damit konnte das Fraunhofer-IWS eine Machbarkeitsstudie durchführen, deren Ergebnis positiv ausfiel. Das wiederum ermöglichte dem rheinland-pfälzischen Anlagenbauer GTV mithilfe dem von Siemens und Fraunhofer erarbeiteten Lastenheft das neue Center zu planen und zu errichten.

Keine Turbine ist wie die andere

Die Schweißanlage besteht aus zwei getrennten Arbeitsräumen – einem Großen, in dem gerade der Turbinenläufer aus Saudi-Arabien aufliegt, und einem Kleineren mit Kipptisch, in dem kleinere Bauteile wie Ventilspindeln, die den Dampfdruck in Turbinen kontrollieren, oder Gehäuseteile repariert werden. Das Schweißen von filigranen Turbinenteilen gab es vorher noch nicht, da sich solche Teile durch Handschweißen stark verziehen können. „Vor kurzem haben wir eine Spindel für einen deutschen Kunden aus dem Bereich Müllverbrennung mithilfe von LMD in nur sieben Tagen repariert“, sagt Roland Wexler, ein früherer Schweißer, der die Anlage heute technisch überwacht. „Eine Neue hätte eine mehrwöchige Lieferzeit bedeutet – und das wäre, hätte man das Problem erst während der Wartung entdeckt, früher völlig ausgeschlossen gewesen.“

Paper über Additive Fertigung

In den letzten Jahren ist eine neue revolutionäre Art der Fertigung - Additive Manufacturing (AM) - in der Branche entstanden und gilt als wegweisend. Diese Technologie ermöglicht es OEMs, Gasturbinenkomponenten schneller und gleichzeitig mit verbesserter Funktionalität und Leistung herzustellen und zu reparieren. Derzeit nutzt Siemens diese Technologie für Prototyping, Fertigung, Reparatur von Turbinenkomponenten und Ersatzteilfertigung. Industrialisierung und aktuelle praktische Erfahrungen mit additiv gefertigten Gasturbinenkomponenten werden in diesem Beitrag diskutiert (in Englisch verfügbar).

Blog Artikel

Wexler gibt sich wenig beeindruckt, dass die Anlage seinen erlernten Beruf ersetzt hat. „Ohne diese Anlage hätten wir viel weniger Aufträge – mit dem LCC sind unsere Auftragsbücher voll. Es wäre unsinnig, sich dagegen aufzulehnen“, sagt er über das Rauschen eines Lüftungsgebläses hinweg. „Zudem die Möglichkeiten des LCC auch für mich beeindruckend sind.“

 

Möglich macht das nicht zuletzt die durchgehende Digitalisierung und damit Automatisierung des Schweißprozesses. So wird das Schmelzbad ständig überwacht und die Laserleistung nach Bedarf angepasst – ein sogenanntes ‚Closed Loop‘-Verfahren. Das ermöglicht Beschichtungen nahe dem Wunschergebnis, was wiederum die Nachbearbeitung reduziert. Ebenso werden viele der komplexeren Teile wie Turbinengehäuse erst eingescannt, so dass ein digitaler Zwilling entsteht. Der virtuelle Doppelgänger erlaubt wiederum, auch komplexe Schweißprozesse mithilfe des Siemens NX-PLM-Software zu simulieren. Auch das beschleunigt die Reparaturzeit – „mit Ergebnissen genau wie von den Simulationen vorhergesagt“, wie Scheller betont.

Dabei herrscht am LCC jedoch kein Fließbandbetrieb. Keine Turbine ist wie die andere. Die Geometrie ist immer unterschiedlich, etwa nach Anzahl der Stufen oder der Art des verwendeten Abgassystems. Zudem sind manche Turbinen bis zu 40, 50 Jahre alt. Die ältesten noch genutzten Maschinen stammen gar aus den 1920er Jahren; insgesamt gibt es weltweit über 50.000 aktive Siemens-Dampfturbinen. Aufgrund dieses großen globalen Marktes kooperiert das Unternehmen auch mit Werken in Indien, Brasilien und in der Zukunft auch in den USA. Zudem entwickelt Siemens mobile LCC-Einheiten – „auch das hilft, Zeit und damit Geld zu sparen“, sagt Scheller. Zudem der Bedarf noch weiter wächst: Immer öfter wartet das LCC nicht nur Dampf-, sondern inzwischen auch Gasturbinen und Kompressoren.

 

Genug geredet. Von seinem Kommandopult aus drückt Wexler einen Knopf, der das Tor zum großen Arbeitsraum des LCC quietschend zurollen lässt. Er überprüft die Einstellungen für den saudi-arabischen Läufer, dann starten sie den Schweißprozess, der an den Lagerstellen ansetzt. Kameras filmen den Prozess und streamen die Bilder auf einen Computerbildschirm. Nur einen Tag später überprüft Wexler das Ergebnis mit einem Mikroskop. Die Beschichtungen sind teilweise so dünn und feinkörnig, dass sie mit bloßem Auge erkennbar sind. Er ist sichtlich zufrieden. Aber nicht überrascht.

Interview

Weltrekordlaser

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS in Dresden hat das ‚Laser Cladding Center´ gemeinsam mit Siemens entwickelt. Mitgeholfen hat der Fraunhofer-Experte für Auftragsschweißen und Systemtechnik Holger Hillig. Ein kurzes Gespräch über die Perspektiven des Laserauftragsschweißens.

 

Die meisten technisch interessierten Menschen denken bei industriellem 3D-Druck mit Metall an ‚Selective Laser Melting‘, eine Technik, bei der ein Laser aus einem Pulverbett ein Bauteil formt. Laserauftragsschweißen ist dagegen viel weniger bekannt.

 

Holger Hillig: Beim Laserauftragschweißen können Schichten aus metallischem Pulver- oder drahtförmigen Zusatzwerkstoffen auf beliebige Bauteile aufgetragen werden. Gegenüber anderen Schweißverfahren ist die Qualität und Präzision der Schichten besonders hoch und es können auch eigentlich nicht schweißbare Materialien verarbeitet werden. Das Verfahren wird z.B. für Korrosions-, Verschleißschutz oder zur Reparatur von Bauteilen genutzt. Das generative, also Schicht für Schicht aufbauende Auftragsschweißen, das komplett neue Bauteile erzeugt bzw. ‚druckt‘ ist im Vergleich dazu aber noch in Entwicklung. Auch am LCC in Nürnberg geht es vorerst vor allem darum, Oberflächen zu bearbeiten und Schadstellen von Bauteilen zu reparieren.

 

Wie wichtig sind die Schweißköpfe für die Entwicklung?

 

Hillig: Entscheidend. Je nach Einsatz, ob Sie ganz feine Strukturen auftragen oder großflächig arbeiten wollen, brauchen Sie unterschiedlichste Laserköpfe. Wir haben zum Beispiel einen Schweißkopf mit Rechtecklaser entwickelt, der derzeit mit 45mm Schweißraupenbreite einen Weltrekord hält – das ist etwa dort interessant, wo es um die Beschichtung großer Flächen geht, für die Korrosionsschutz-Beschichtung großer Hydraulik-Zylinder für Offshore-Bohrinseln zum Beispiel. Wichtig ist auch, die Laserköpfe flexibel wie präzise zu steuern. Die Anlagenkonfiguration, Bewegung des Roboterarms sowie die Schweißparameter, Laserleistung und Werkstoffzufuhr müssen genau abgestimmt sein  – etwa, um die Herausforderung zu meistern, Schweißraupen mit einer Breite von nur einem Zehntel Millimeter zu ziehen wie für die Reparatur von Turbinenschaufeln.

 

Wie sieht es mit den Werkstoffen aus?

 

Hillig: Bislang verwenden wir in der Regel meist Material, das nicht eigens für die neuen Fertigungsprozesse entwickelt wurde. Das beginnt sich aber zu ändern. Im Kompetenzzentrum für Additive Fertigung AMCD, das wir gemeinsam mit der TU Dresden ins Leben gerufen haben, arbeiten wir auch daran. Das ist hochspannend: Denn die neuen Werkstoffe erlauben zum Beispiel den Einsatz unter harscheren Bedingungen, höheren Temperaturen oder Verschleißbeanspruchungen. Die Lebensdauer und Effizienz von Maschinen und Anlagen kann dadurch enorm gesteigert werden.

 

Wie sehen Sie die Zukunft des Laserauftragsschweißens?

 

Hillig: Gerade für die Wartung und Reparatur großer als auch komplex geformter Turbinenbauteile wie am LCC hat Laserauftragsschweißen eine große Zukunft. Und letztlich natürlich, eines Tages große Teile komplett generativ aufzubauen bzw. zu ‚drucken‘.

28.03.2019

Hubertus Breuer ist Wissenschafts- und Technologiejournalist.

Bildrechte: Hubertus Breuer and Siemens AG

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