25 Septembre 2017  |  Énergie
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 06/2017

Des aubes de turbines produites en technique additive

Siemens vient de réussir une percée majeure en achevant avec succès les premiers essais en pleine charge d’aubes de turbine à gaz entièrement produites en technique de fabrication additive. Ces aubes ont été montées sur une turbine à gaz industrielle SGT-400 d’une puissance de 13 MW.

Des essais réalisés à plein régime ont permis de valider différentes aubes de turbine de conception classique fabriquées selon des méthodes de fabrication additive. Les composants ont ainsi été testés à une vitesse de rotation de 13’000 tr/min et à des températures supérieures à 1250 °C. Par ailleurs, Siemens a testé un nouveau modèle de refroidissement interne doté d’une géométrie différente et améliorée, qui a également été produit en un temps record à l’aide de la fabrication additive. Pour ces essais, l’équipe «Projet international» a utilisé des aubes fabriquées chez Material Solutions, une entreprise de Worcester (Royaume-Uni) récemment acquise par Siemens.
 
 
 
Une nouvelle application pour la technique de fabrication additive
La société Material Solutions est spécialisée dans la fabrication de pièces destinées à des turbomachines performantes pour des applications à hautes températures, là où la précision, l’état de la surface et la qualité des matériaux sont essentiels pour assurer un fonctionnement sans faille. Les tests ont été effectués sur le banc d’essai de Siemens, à l’usine de turbines à gaz industrielles de Lincoln au Royaume-Uni.
«Cette percée décisive ouvre la voie à l’utilisation de la fabrication additive dans le domaine de la production d’énergie, l’une des applications les plus complexes et exigeantes pour cette technique», déclare Willi Meixner, directeur général de la division Power and Gas de Siemens. Il précise: «La fabrication additive est l’un des principaux piliers de notre stratégie de numérisation. Cette réussite est le fruit du travail d’une équipe de projet, avec le soutien des ingénieurs de Siemens à Finspång (Suède), Lincoln et Berlin, ainsi que des experts de Material Solutions». En seulement dix-huit mois, ils sont en effet parvenus à réaliser l’ensemble du projet, depuis la conception des composants et le développement du matériel de fabrication additive, jusqu’à la mise au point de nouvelles méthodes pour la simulation du calcul de la durée de vie et le contrôle de la qualité. «En alliant nos savoir-faire en matière d’impression 3D, nous allons pouvoir continuer à améliorer le développement technique et les applications dans ce domaine», ajoute Willi Meixner.
 
D’importantes forces centrifuges
Les aubes ont été montées sur une turbine à gaz industrielle SGT-400 de Siemens, d’une puissance de 13 MW. Elles ont été fabriquées à partir d’une poudre de superalliage polycristallin à base de nickel, qui leur confère une grande résistance vis-à-vis des pressions et températures élevées, ainsi qu’une bonne tenue sous l’effet des importantes forces centrifuges qui apparaissent lors du fonctionnement de la turbine à vitesse élevée. À pleine charge, chaque aube tourne à une vitesse de plus de 1600 km/h, supporte une force de 11 t (l’équivalent d’un bus rempli de passagers), est entourée d’un gaz d’une température de 1250 °C et est refroidie par de l’air, à plus de 400 °C. Ces aubes de conception avancée, testées à Lincoln, affichent de bien meilleures caractéristiques en termes de refroidissement, que les aubes fabriquées par usinage traditionnel. Elles sont mieux à même d’améliorer le rendement global des turbines à gaz.
 
Une aube de turbine réalisée en technique additive.
 
 
Des rendements plus élevés
Lors de la fabrication additive, les objets sont créés couche après couche, à partir d’un modèle CAO décomposé en très fines tranches. Également connue sous le terme d’impression 3D, la fabrication additive présente beaucoup d’avantages, en particulier en ce qui concerne le prototypage rapide.
«Cette solution technique révolutionnaire, en réduisant les délais de développement d’un prototype dans une proportion pouvant atteindre 90 %, change fondamentalement nos modes de fabrication», explique Willi Meixner, qui précise: «Siemens est pionnier en matière de fabrication additive. Nous allons pouvoir accélérer le développement de nouveaux modèles de turbine à gaz, affichant un rendement plus élevé et une meilleure disponibilité; nous serons alors en mesure de faire profiter plus rapidement nos clients de ces avancées. Cette nouvelle souplesse de fabrication permettra aussi à Siemens de développer ses produits en répondant encore mieux aux besoins de ses clients et de fournir rapidement des pièces de rechange à la demande».
Expert dans les domaines des sciences des matériaux, de l’automatisation et des procédés, Siemens participe à l’avenir de l’industrie d’impression 3D. Un essai concluant des aubes de conception avancée est nécessaire pour pouvoir exploiter tout le potentiel de la fabrication additive. Siemens entend mettre au point des modèles de turbine à gaz uniques, que seule la fabrication additive permettra de réaliser.
Fort de l’expérience acquise sur le marché de l’énergie depuis plus de cent ans, Siemens transforme les nouvelles possibilités de conception en solutions spécifiquement adaptées à ses clients et utilise la technique de fabrication additive pour le prototypage rapide, mettant en place des solutions de production en série pour des composants du système de combustion et du compresseur des turbines à gaz. En février 2016, Siemens a ouvert un nouveau site de production pour l’impression 3D de composants à Finspång en Suède. Le premier composant de turbine à gaz Siemens de grande puissance fabriqué par impression 3D est entré en exploitation commerciale en juillet 2016.
 
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