地熱能源行業(yè)初創(chuàng)公司：3D打印地熱全金屬井封隔器

導讀：地球的自然資源并非取之不盡，尋找替代資源的步伐也在加快。煤炭、天然氣、丙烷和其他碳基解決方案等化石燃料為環(huán)境帶來了相當大的問題。溫室氣體和其他與燃燒化石燃料有關的污染物問題無處不在。


△DET 創(chuàng)始人 Tingji “TJ” Tang 博士和 Ken Havlinek 博士。

走向可再生能源
企業(yè)和消費者都越來越多地尋求具有價格和可用性都穩(wěn)定的本土解決方案。對于較大的公司，地熱可能是其中的一種解決方案。地熱系統(tǒng)被稱為“腳下的太陽”，它利用地球的極熱驅動渦輪機并產生清潔、可靠的電力。雖然需要非常深入才能到達能提供足夠熱量來驅動渦輪機的地層，但好處是十分明顯的，地熱源是一致的，不受政治和經濟動蕩的影響。

意識到這一點，美國能源部 (DoE) 于 2020 年啟動了美國制造地熱制造獎，該獎提供超過 460 萬美元用于推動對這種可再生資源的研究，重點是增材制造 (AM) 或 3D 打印。2022 年，總部位于休斯頓的 Downhole Emerging Technologies (DET) 憑借開發(fā)新型封隔器系統(tǒng)獲得了500,000 美元大獎，這是一種調節(jié)地熱井中熱量和蒸汽流動的關鍵要素，在這個項目中，他們使用了AM技術。

在地球深處生存



在高達 700° F (371° C) 的極端溫度（足以熔化某些金屬）和高腐蝕性環(huán)境之間，人類需要找到合適的材料和零件幾何形狀來承受這種“變態(tài)”的環(huán)境。這需要建模、測試和迭代以確定每個部分的功效。DET 的創(chuàng)始人 Ken Havlinek 和 Tingji “TJ” Tang 在石油和天然氣行業(yè)工作多年。由于這些應用中的井較淺，它們的封隔器通常由橡膠或塑料制成，這些材料會在地球深處的高溫下熔化。在本次比賽中，合作伙伴將他們的知識移植到地熱能領域，設計了一個解決方案，使用了3D打印技術。

3D打印加速迭代
傳統(tǒng)上，零件大多是使用CNC加工或注塑成型制造的，雖然兩者都能制造出色的部件，但調整設計以實現(xiàn)預期結果的過程十分復雜，每次迭代都要制作一個新工具（模具），既耗時又昂貴。

經過仔細評估，DET打印了一些零件，包括包裝機。3D打印也在時間上具有足夠多的優(yōu)勢，能夠快速迭代和提供改進零件設計的機會。Havlinek 承認“像我一樣，致力于應對這些地熱挑戰(zhàn)的專家，不一定欣賞或理解增材制造可以帶來的價值，但得益于 Protolabs 提供的快速制造設計建議，DET 可以試驗多種材料、調整幾何形狀并在幾天內看到結果�！�

零件背后的技術
零件需要由金屬制成，因為在抵抗過熱和具有腐蝕性的地下環(huán)境中，沒有其他東西可以"生存"。研究人員使用直接金屬激光燒結 (DMLS)進行零件的制造，這是一種使用粉末金屬作為基礎材料逐層構建零件的打印工藝，通過高功率激光將微小的金屬粉末顆粒焊接在一起。本質上，激光在粉末床中繪制零件，直到形成所有層并完成零件。

使用 DMLS 的優(yōu)勢之一是零件可以設計成任何復雜的幾何形狀，而這些幾何形狀不可能通過更傳統(tǒng)的制造工藝（例如鑄造、鍛造或機加工）制造。此外，這些金屬的硬度等于該金屬的固體塊。由于這些原因，許多公司正在轉向 DMLS 來制造復雜的零件。DMLS 還提供范圍廣泛的金屬，包括鋁 (AlSi10Mg)、鈷鉻合金、Inconel 718、兩種不銹鋼（17-4 PH 和 316L）和鈦 (Ti6Al-4V)，每一種都具有不同的強度和對腐蝕劑和熱的耐受性。

在實際需求中，DET 的一個零件需要在 GE Additive X Line 2000R 打印機上打印。該套管高 19 英寸（482.6 毫米），寬 4.7 英寸（119.4 毫米），是 Protolabs 打印過的最高金屬部件。

封隔器最重要部件之一，大環(huán)形必須能夠有效成型且一致地變形。這對制造的要求很高，通過 CNC 加工制造具有這些規(guī)格的環(huán)形會產生大量金屬廢料，這通常需要更高的成本。在這種情況下，根本不可能用對其性能至關重要的內部特征來加工零件，因此 DET 團隊改進了零件，進行了3D打印。增材制造提供了更大的設計自由度，因此團隊可以發(fā)揮創(chuàng)造力，將結構的特征推向機械加工無法達到的水平。

Havlinek 補充道：“如果沒有3D打印，完成工作將很困難，我們希望使用盡可能少的制作步驟來實現(xiàn)封隔器系統(tǒng)運行期間所需的全部功能。多虧了增材制造，我們才能夠達到我們的設計目標。”

收拾行裝繼續(xù)前行



在接下來的幾個月里，DET 的包裝系統(tǒng)將在準備上市前進行測試和改進。雖然美國能源部和快速原型制作開啟了這個夢想，但其結果將有助于為能源生產開辟一個更可持續(xù)、更安全的未來。同時也給全世界的設計師提供一個新思路——可以在他們的項目中使用3D打印部件。