Berlin – Ein Koloss von einer Gasturbine baumelt von der Decke: 13 Meter lang, fünf Meter hoch, 445 Tonnen schwer – so viel wie ein vollgetankter Airbus A380. An sechs Ständen werden bei Siemens im Berliner Stadtteil Moabit Gasturbinen montiert. Schwermaschinenbau wird hier bereits seit Anfang des 20. Jahrhunderts betrieben, seit den 1970er Jahren von Siemens, damals übernahmen die Münchner die Fabrik von AEG. Gut 1000 Turbinen, die jeweils aus mehr als 3000 Einzelteilen bestehen, wurden seitdem gebaut. Rund ein Jahr dauert es, bis eine Einzige fertig ist. Dabei stammt so manches Teil mittlerweile aus dem 3D-Drucker. In Glaskästen sind die Drucker untergebracht, surren Tag und Nacht und spucken alle paar Tage ein Bauteil aus.
Noch sind es Ersatzteile und Prototypen, die bei Siemens so gefertigt werden – nicht nur im Gasturbinenbau, auch in der Zugfertigung sind Drucker im Einsatz. Doch das soll erst der Anfang sein – der Anfang einer Revolution in der Produktion.
Gasturbinen auf dem Hause Siemens sind weltweit gefragt. Die größten schaffen 450 Megawatt. Das reicht, um eine Stadt wie Hamburg mit Strom zu versorgen. Kürzlich wurden 24 von Berlin nach Ägypten verschifft. Sind sie in Betrieb, verdoppelt sich die Stromerzeugung im Land. Die Gasturbinen zählen zu den komplexesten Produkten, die bei Siemens gefertigt werden. Und das nicht nur aufgrund der Fülle an Bauteilen, die nötig sind, um einen solchen Koloss zum Laufen zu bringen. Im Inneren einer Turbine herrschen hoher Druck und enorme Fliehkräfte. Die Temperatur steigt auf bis zu 1500 Grad Celsius. Damit die Materialien dem standhalten, sind kreative Konstruktionen gefragt. Besonders kritisch: die Turbinenschaufeln, die im Inneren von der heißen Luft angetrieben werden – und sich bei voller Leistung mit einer Geschwindigkeit von 1600 km/h drehen – doppelt so schnell, wie eine Boeing 737 fliegen kann.
Stolz hat Siemens-Chef Joe Kaeser im Frühjahr bei der Hauptversammlung in München eine solche 12 Zentimeter kleine Turbinenschaufel präsentiert. Sie stelle den „Durchbruch im 3D-Druck“ dar, jubelte er. Nicht aufwendig gegossen oder geschmiedet wurde die Schaufel wie bisher, sondern im 3D-Drucker gefertigt – aus einer pulverförmigen, hochtemperaturbeständigen Superlegierung mit polykristallinem Nickel. Ein Hightech-Teil.
Beim Drucken trifft ein Laserstrahl auf eine feine Schicht Metallpulver, wodurch diese sich erhitzt und schmilzt. Entfernt sich der Laser, kühlt das Metall ab, die nächste Pulverschicht wird aufgetragen. Dieser Vorgang wiederholt sich immer wieder, bis das Schaufelmodell fertig ist. „Additive Manufacturing“ nennen Experten das Verfahren.
Anders als bei gegossenen Schaufeln durchziehen filigrane Kanäle das Material, durch die Kühlluft strömen kann. „Unmöglich, so eine Konstruktion mit dem herkömmlichen Gießverfahren umzusetzen“, sagt Ingomar Kelbassa, Abteilungsleiter Fertigungsentwicklung und Industrialisierung in Berlin. Noch ist die Turbinenschaufel ein Prototyp, doch in zwei, drei Jahren könnte sie in Serie gedruckt und eingebaut werden, schätzt Kelbassa. Innovationen werden durch die Möglichkeiten des 3D-Drucks beschleunigt.
In Serie kommen bei Siemens in Berlin, Finspang, Schweden sowie im englischen Worcester bereits Brennerspitzen aus dem Drucker. Auch sie müssen extrem hohe Temperaturen im Inneren der Gasturbine überstehen. Die Spitzen gelten deshalb als Verschleißteil – und müssen ab und zu ausgewechselt werden. Meldet ein Kunde, dass eine Brennerspitze durch ist, wird der Ersatz innerhalb weniger Tage gedruckt und innerhalb weniger Wochen geliefert. Im Gießverfahren dauerte es bisher Monate, bis der Kunde das Ersatzteil einbauen konnte. „Eine enorme Zeitersparnis“, sagt Kelbassa.
Gedruckt wird bei Siemens aber auch in anderen Breichen – etwa im Zugbau. Hier geht es nicht in erster Linie darum, Teile in ihrer Funktion zu verbessern wie bei den Gasturbinen, die so einen höheren Wirkungsgrad erreichen (siehe Kasten). Mit den 3D-Druckern spart man sich im Zuggeschäft das Ersatzteillager, in dem bisher hunderte Teile ständig bereitgehalten werden mussten. Anders als im Turbinenbau werden hier auch nicht nur Metallteile gedruckt. Auch beispielsweise eine Armlehne aus Kunststoff wird additiv gefertigt.
Immer mehr Materialien und Designs werden druckbar – dafür sorgt bei Siemens unter anderem Ursus Krüger, Leiter des 3D-Drucklabors, wenige Kilometer entfernt von der Gasturbinenfertigung (siehe unten). „Der 3-D-Druck wird die Industrieproduktion in Deutschland für immer verändern“, sagt er. Bei Siemens ist der Anfang gemacht.