(crédits photo : BAM)
L’usage de la fabrication additive continue de se démocratiser dans le secteur de l’énergie. Dans un récent communiqué, l’Institut fédéral de recherche et d’essais sur les matériaux (BAM) a annoncé qu’il allait poursuivre pendant encore deux ans ses projets de recherche sur les turbines à gaz à haut rendement au Centre Werner von Siemens pour l’industrie et la science eV (WvSC). Financés par l’État de Berlin et l’Union européenne, ces projets ont pour objectif d’optimiser le processus de maintenance, de réparation et de développement des aubes de turbines à gaz et à développer des solutions de fabrication additive durables.
Il faut savoir que les turbines à gaz sont des dispositifs mécaniques utilisés pour convertir l’énergie thermique en énergie mécanique. Leur fonctionnement consiste à comprimer de l’air et en le mélangeant avec du combustible, généralement du gaz naturel. Ce mélange est ensuite brûlé dans une chambre de combustion, libérant une grande quantité d’énergie thermique. La chaleur produite fait ensuite tourner les aubes de la turbine, générant ainsi de l’énergie mécanique. Cette énergie mécanique est utilisée pour entraîner un générateur électrique, produisant ainsi de l’électricité. De par cette méthode, les turbines à gaz jouent un rôle important dans la transition vers une production d’électricité plus propre et dans la réduction des émissions de CO2 et d’autres polluants atmosphériques associés aux centrales électriques à combustibles fossiles.
« Les défis actuels, tels que l’usure des aubes de turbine due à la corrosion et aux conditions de fonctionnement difficiles, nécessitent des solutions innovantes. Les projets visent à augmenter la productivité et les performances dans la construction de turbines à gaz, à accroître la réutilisabilité des matériaux et à exploiter un potentiel jusqu’alors inutilisé grâce à l’utilisation de processus de fabrication additive et de solutions numériques de pointe. » commente BAM.
« BAM développe, évalue et qualifie des procédés adaptés tels que la fabrication additive à arc filaire, dans lesquels un matériau supplémentaire est spécifiquement appliqué »
Fabrication additive d’aubes de turbine à partir d’un superalliage base nickel (crédits photo : BAM)
BAM explique que le projet MRO 2.0 se concentre sur l’optimisation du processus de réparation des aubes de turbine à gaz. À cette fin, l’équipe développe des chaînes de processus de remise à neuf automatisées et numérisées qui permettent la mise à niveau de turbines à gaz à haut rendement. L’objectif est d’automatiser et de numériser le processus de réparation des aubes de turbine.
Alors que des démonstrateurs et des systèmes d’évaluation de l’état des aubes de turbine ainsi que des processus de réparation additifs ont été développés au cours de la première phase du projet, la deuxième phase du projet se concentre sur le transfert des résultats vers une utilisation productive. Outre les questions techniques, des aspects psychologiques du travail tels que l’acceptation de nouveaux processus et procédures de travail sont également examinés.
« Dans le cadre du projet, l’équipe BAM se concentre principalement sur de nouvelles méthodes de test permettant de déterminer l’épaisseur restante des parois et d’évaluer les dommages à proximité de la surface. Ils permettent d’analyser précisément l’état des aubes de turbine usagées afin d’initier ensuite les étapes de réparation appropriées. » explique BAM. « Des technologies de fabrication additive sont utilisées pour les réparations. BAM développe, évalue et qualifie des procédés adaptés tels que la fabrication additive à arc filaire, dans lesquels un matériau supplémentaire est spécifiquement appliqué, par exemple pour remplacer l’enlèvement de matière qui se produit pendant le fonctionnement. »
« Les processus de fabrication additive sont évalués dans le contexte du développement de produits durables afin d’obtenir des solutions de composants économiquement et écologiquement plus efficaces »
On apprend que les scientifiques développent également des modèles virtuels, appelés jumeaux numériques, de l’ensemble du processus. À l’aide d’algorithmes d’IA, ils analysent en permanence les données sur les conditions de fonctionnement et le comportement des aubes de turbine en cours d’utilisation. Cela leur permet de faire des prévisions sur la durée de vie restante des composants, de planifier de manière proactive les mesures de maintenance et de minimiser les temps d’arrêt. Dix partenaires sont impliqués dans le projet, dont Siemens Energy ainsi que plusieurs instituts Fraunhofer et l’Université technique de Berlin.
Le projet HTA 2.0 se dédie au développement de processus plus rapides et rentables de composants de fabrication additive durables pour les composants haute température des grandes turbines à gaz. Il s’appuie sur les résultats positifs de la première période de financement, au cours de laquelle le traitement de matériaux à haute température pour des composants complexes par fusion par faisceau laser sur lit de poudre a été caractérisé et des techniques efficaces de surveillance des processus ont été développées. Cela signifie que des erreurs de composants peuvent être détectées à l’avenir au cours du processus.
« Les processus de fabrication additive sont évalués dans le contexte du développement de produits durables afin d’obtenir des solutions de composants économiquement et écologiquement plus efficaces pour le domaine des températures de fonctionnement élevées dans les turbines à gaz. Par exemple, divers processus de post-traitement pour les composants fabriqués de manière additive sont étudiés et largement automatisés afin de remplacer les grandes étapes de traitement manuelles et fastidieuses qui sont encore nécessaires aujourd’hui. » peut-on lire dans le communiqué.
Aubes de turbines produites par Siemens Energy (crédits photo : Siemens Energy)
L’un des objectifs de ce projet vise à promouvoir une utilisation plus efficace des matières premières dans les processus additifs tout en minimisant la production de déchets. Pour ce faire, des travaux sont menés pour développer et tester des méthodes de recyclage des poudres usagées et des matériaux solides issus des déchets de construction ainsi que des structures de support défectueuses. L’objectif étant à la fois de réduire à la fois les coûts élevés des matériaux et leur impact sur l’environnement. Des évaluations globales du cycle de vie sont réalisées pour analyser les répercussions économiques et écologiques de ces stratégies.
Siemens Energy compte parmi les grands noms de l’énergie qui n’ont pas attendu aujourd’hui pour s’intéresser aux possibilités offertes par la fabrication additive. Rappelons qu’en août 2016, celui-ci avait mis la main sur l’un des leaders mondiaux de la fabrication additive métallique, le britannique Materials Solutions, dans le but notamment de réaliser ses aubes de turbine à l’aide de sa technologie SLM. L’an passé, cette division du groupe allemand spécialisée dans la fabrication de centrales électriques thermiques, a signé un accord avec Seurat Technologies, fournisseur de technologie d’impression 3D métal, pour la production de 59 tonnes de composants métalliques fabriqués de manière additive pour ses turbines.
Ce projet de développement s’étalera sur une durée de six ans et se concentrera initialement sur une catégorie spécifique de pièces répondant aux normes de qualification des matériaux de Siemens Energy. Il est envisagé de commencer par une seule famille de pièces, mais avec aussi la possibilité d’élargir les volumes pour englober d’autres familles. Toujours en 2023, Siemens Energy, en partenariat avec DNV, une société mondiale de services dans le management de la qualité et des risques, ont officialisé une plateforme d’assurance qualité pour la fabrication additive. Objectif : accélérer la production commerciale de FA grâce à un contrôle qualité à chaque étape et couche du processus d’impression.
