3D-Druck erweitert Möglichkeiten für erneuerbare Energien

Die natürlichen Ressourcen der Erde sind nicht unbegrenzt und die Suche nach Alternativen nimmt zu. Fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdgas, Propan und andere kohlenstoffbasierte Lösungen bringen erhebliche Nachteile mit sich, einschließlich Preis- und Verfügbarkeitsschwankungen. In der Vergangenheit haben sogenannte „Schwarze Schwäne“, darunter die Invasion in der Ukraine, zu massiven Preisschwankungen bei den Produkten geführt, auf die Industrie und Verbraucher angewiesen sind. Hinzu kommen die allgegenwärtigen Probleme von Treibhausgasen und anderen Schadstoffen im Zusammenhang mit der Verbrennung fossiler Brennstoffe.

Sowohl Unternehmen als auch Verbraucher suchen zunehmend nach selbst entwickelten Lösungen, die Preisstabilität und Verfügbarkeit bieten. Für größere Unternehmen – insbesondere Versorgungsunternehmen – könnte Geothermie eine dieser Antworten sein. Geothermiesysteme, auch „die Sonne unter unseren Füßen“ genannt, nutzen die extreme Hitze der Erde, um Turbinen anzutreiben und sauberen, zuverlässigen Strom zu erzeugen. Obwohl man tief – wirklich tief – vordringen muss, um zu den Schichten zu gelangen, die genug Wärme liefern, um Turbinen anzutreiben, liegen die Vorteile klar auf der Hand: Geothermische Quellen sind konsistent und werden nicht von politischen und wirtschaftlichen Turbulenzen beeinträchtigt.

Das Energieministerium (Department of Energy, DoE) erkannte dies und rief im Jahr 2020 den American-Made Geothermal Manufacturing Prize ins Leben, der mehr als 4,6 Millionen US-Dollar bereitstellt, um die Forschung zu dieser erneuerbaren Ressource voranzutreiben, mit Schwerpunkt auf additiver Fertigung (AM) oder 3D-Druck Bewegen Sie das Feld nach vorne. Im Jahr 2022 gewann das in Houston ansässige Unternehmen Downhole Emerging Technologies (DET) einen von zwei Hauptpreisen in Höhe von 500.000 US-Dollar für die Entwicklung einer neuen Form eines Packersystems – eines entscheidenden Elements, das den Wärme- und Dampffluss in Geothermiebrunnen reguliert. Ohne AM wäre dieser Erfolg nicht möglich gewesen.

Bedenken Sie, dass die Erde in diesen Tiefen alles andere als gastfreundlich ist. Zwischen extremen Temperaturen von bis zu 371 °C – genug, um einige Metalle zum Schmelzen zu bringen – und stark korrosiven Umgebungen müssen Sie die richtigen Materialien und Teilegeometrien finden, um solchen Belastungen standzuhalten. Dies erfordert Modellierung, Tests und Iteration, um die Wirksamkeit jedes Teils zu bestimmen.

Die Gründer von DET, Ken Havlinek und Tingji „TJ“ Tang, waren jahrelang in der Öl- und Gasindustrie tätig. Da Bohrlöcher bei diesen Anwendungen flacher sind, bestehen ihre Packer typischerweise aus Gummi oder Kunststoff – Materialien, die in der Hitze der tiefen Erde schmelzen würden. Für diesen Wettbewerb haben die Partner ihr Wissen auf den Bereich der Geothermie übertragen und eine elegante Lösung und eine neue Herausforderung für den 3D-Druck entworfen.

In der Vergangenheit wurden einige dieser Teile möglicherweise durch CNC-Bearbeitung oder Spritzguss hergestellt. Während beide herausragende Teile herstellen, ist der Prozess der Optimierung von Designs, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, komplexer. Beim Formen müssen Sie für jede Iteration ein neues Werkzeug (Form) herstellen, was zeitaufwändig und teuer ist.

Nach sorgfältiger Prüfung kam DET zu dem Schluss, dass es möglich sein könnte, einige ihrer Teile, einschließlich des Packers, zu drucken. Das Drucken machte auch deshalb Sinn, weil die Zeit knapp war. Die Fristen standen unmittelbar bevor und der 3D-Druck bot die Möglichkeit, Teilekonstruktionen schnell zu iterieren und zu verbessern. Als Veteran der Öl- und Gasindustrie gab Havlinek zu, dass AM zunächst nicht in den Sinn gekommen war, den Packer und einige andere Teile herzustellen, aber die DOT-Auszeichnung half ihm, seine Ideen auf eine neue Art und Weise zu sehen.

„Die Experten, die sich wie ich mit diesen geothermischen Herausforderungen befassen, schätzen oder verstehen nicht unbedingt den Wert, den die additive Fertigung bringen kann“, räumte Havlinek ein. Dank der schnellen Design-for-Manufacturing-Beratung von Protolabs konnte DET innerhalb weniger Tage mit mehreren Materialien experimentieren, Geometrien anpassen und Ergebnisse sehen.

Es war selbstverständlich, dass die Teile aus Metall sein mussten. Nichts anderes würde in der überhitzten, korrosiven unterirdischen Umgebung überleben. Das bedeutete den Einsatz von Direct Metal Laser Sintering (DMLS), einem Druckverfahren, bei dem pulverförmige Metalle als Grundmaterial verwendet werden, um ein Teil Schicht für Schicht aufzubauen, wobei winzige Metallpulverkörner mit einem Hochleistungslaser zusammengeschweißt werden. Im Wesentlichen zieht der Laser das Teil in das Pulverbett, bis alle Schichten gebildet sind und das Teil fertig ist.

Einer der Vorteile der Verwendung von DMLS besteht darin, dass die Teile komplexe Geometrien aufweisen können, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren wie Gießen, Schmieden oder maschineller Bearbeitung nicht herzustellen wären. Außerdem haben die Metalle eine Härte, die nahezu der eines massiven Blocks dieses Metalls entspricht. Aus diesen Gründen greifen viele Unternehmen auf DMLS zurück, um komplizierte Teile herzustellen.

DMLS bietet außerdem eine breite Palette an Metallen an, darunter Aluminium (AlSi10Mg), Kobaltchrom, Inconel 718, zwei Arten von Edelstahl (17-4 PH und 316L) und Titan (Ti6Al-4V). Jedes hat eine unterschiedliche Festigkeit und Toleranz gegenüber korrosiven Stoffen und Hitze.

Tatsächlich musste eines der DET-Teile auf einem GE Additive X Line 2000R-Drucker gedruckt werden. Mit einer Höhe von satten 19 Zoll (482,6 mm) und einer Breite von 4,7 Zoll (119,4 mm) erwies sich diese Hülse als das höchste Metallteil, das jemals bei Protolabs gedruckt wurde.

Spezielle Merkmale an einem der wichtigsten Teile des Packers – einer großen Ringform – mussten in der Lage sein, sich effizient und gleichmäßig zu verformen, sodass zum Komprimieren oder Dehnen weniger Kraft erforderlich war. Dies war entscheidend für den Erfolg des Packers. Die Herstellung eines Rings mit diesen Spezifikationen mittels CNC-Bearbeitung hätte zu enormem Metallabfall geführt, was oft zu höheren Kosten geführt hätte.

In diesem Fall war es jedoch einfach unmöglich, das Teil mit den internen Merkmalen zu bearbeiten, die für seine Leistung entscheidend sind, weshalb das DET-Team das Teil für den 3D-Druck verfeinerte. AM bot größere Designfreiheit, so dass das Team kreativ sein und die Merkmale der Struktur über das hinausgehen konnte, was durch maschinelle Bearbeitung möglich war. Außerdem wurde der Abfall so gut wie eliminiert.

„Ohne diese Funktionen wäre viel mehr Energie nötig gewesen, um die Arbeit zu erledigen, und wir wollten so wenig Energie wie möglich verbrauchen, um den gesamten Bewegungsbereich zu erreichen, der während des Betriebs des Packersystems erforderlich ist“, fügte Havlinek hinzu. „Je geringer der Kraftaufwand, desto besser. Dank der additiven Fertigung konnten wir unsere Designziele erreichen.“

In den nächsten Monaten wird das Packersystem von DET getestet und verfeinert, bevor es auf den Markt kommt. Während DoE und Rapid Prototyping diesen Traum ins Leben riefen, wird das Ergebnis dazu beitragen, eine nachhaltigere und sicherere Zukunft für die Energieerzeugung zu eröffnen. Diese Erfahrung könnte auch Designern/Ingenieuren anderer Unternehmen die Augen öffnen, 3D-gedruckte Teile für ihre Projekte in Betracht zu ziehen.

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