Pièces puissantes

Matériaux résistants, tolérances serrées, faibles quantités et formes complexes - les principaux fournisseurs offrent des conseils pour naviguer dans les exigences strictes de l'industrie de l'énergie

L'Amérique a été fondée sur la première source d'énergie renouvelable au monde : le bois. Malheureusement, les colons du pays ont rapidement découvert que les arbres qu'ils brûlaient pour chauffer leurs maisons et cuisiner leur nourriture ne poussaient pas assez vite pour répondre à la demande croissante, alors ils sont passés au charbon.

Avec l'invention de l'électricité puis des automobiles, cependant, les homologues fossiles du charbon - le pétrole et le gaz naturel - ont rapidement pris la tête du défilé énergétique et restent en tête aujourd'hui. En fait, le rapport 2022 Annual Energy Outlook de l'Energy Information Administration (EIA) des États-Unis prévoit que les sources d'énergie non renouvelables resteront aux commandes jusqu'en 2050.

Il a également noté qu'avec les préoccupations concernant le réchauffement climatique et la pollution de l'air qui occupent le devant de la scène, des alternatives plus respectueuses de l'environnement telles que l'énergie solaire, l'hydrogène et l'énergie éolienne gagnent du terrain. Ajoutez à cela une résurgence de l'énergie nucléaire et une poussée pour moderniser les sources hydroélectriques existantes avec la technologie moderne, et l'écriture est sur le mur électrique : les combustibles fossiles finiront par (bien que peu probable dans la vie de ce baby-boomer) suivre le chemin des plantes et des animaux préhistoriques qui les ont fabriqués.

Quelle que soit la source d'énergie, rassembler ses photons, ses molécules ou son mouvement, puis les convertir en électricité est une tâche exigeante. Une plate-forme pétrolière offshore, par exemple, doit opérer dans des eaux à des centaines ou des milliers de pieds de profondeur et forer des trous dans la terre à plusieurs fois cette profondeur. Les pressions sont extrêmes, les fluides assez corrosifs et les températures excessivement élevées.

Pour cette raison, les puits de pétrole et les raffineries utilisent bon nombre des mêmes superalliages résistants à la chaleur (HRSA) que l'on trouve dans les moteurs à réaction et autres composants d'avions. Des métaux tels que l'Inconel 718 et l'acier inoxydable 17-4 PH contiennent des quantités relativement importantes de chrome, de molybdène, de nickel et d'autres éléments d'alliage qui rendent ce qui serait autrement de l'acier ordinaire extrêmement résistant et résistant. Malheureusement, ils rendent également ces alliages difficiles à usiner et à fabriquer.

Scott Green se soucie peu de l'usinabilité. En tant que leader principal des solutions chez 3D Systems Inc., Rock Hill, SC, ce qui l'intéresse, c'est la réduction du nombre de pièces, l'efficacité énergétique et le délai de mise sur le marché, des attributs qui permettent à l'impression directe sur métal (DMP) de faire des percées significatives dans le secteur de l'énergie, notamment le marché des turbines à gaz industrielles (IGT).

Une grande partie de ce succès est due à la capacité de DMP à transformer ces métaux hautes performances en formes extrêmement complexes autrefois impossibles ou au moins d'un coût prohibitif à fabriquer, éliminant tout ou partie des étapes d'usinage et d'assemblage en cours de route. "Il existe une énorme opportunité pour l'utilisation des microturbines dans la production et le stockage d'énergie décentralisés, et cela a des implications importantes pour la fabrication additive", a-t-il déclaré.

Regardez ce qui s'est passé au Texas à l'hiver 2021, a-t-il noté, lorsque de gros morceaux du réseau ont été fermés en raison des intempéries. La production d'électricité décentralisée aurait évité cela. Ensuite, il y a la Californie, où les propriétaires de Tesla Powerwalls ont aidé à atténuer les baisses de tension en réinjectant de l'électricité dans le réseau. De tels exemples indiquent qu'une solution énergétique modernisée est une solution qui inclut une production d'électricité localisée à petite échelle devient de plus en plus populaire et va bientôt exploser aux États-Unis, voire sur toute la planète.

Green soutient que les microturbines sont un élément essentiel de cette équation énergétique. Lorsque les municipalités et les gouvernements des comtés investissent dans leur propre alimentation électrique, ils deviennent soudainement beaucoup moins dépendants des infrastructures énergétiques nationales et régionales et plus résistants aux perturbations météorologiques ou civiles.

Qu'est-ce que l'impression 3D a à voir avec tout cela ? Bonne question, dit Green. « Tout comme nous l'avons vu dans d'autres secteurs de fabrication, la DMP apporte de nombreux avantages. Pour commencer, à mesure que nous réduisons la taille des grandes turbines industrielles, les opportunités de consolidation des pièces augmentent. Cela simplifie la conception et réduit les coûts. Les fabricants bénéficient également d'une plus grande liberté de conception, ils trouvent donc des moyens d'améliorer le rendement énergétique. Ajoutez à cela la capacité d'itérer plus rapidement et vous comprendrez pourquoi la FA métallique joue un rôle de plus en plus important dans la croissance de l'industrie IGT.

Cela contribue également à rendre les infrastructures énergétiques existantes plus respectueuses de l'environnement.

Le bien nommé Green travaille avec des ingénieurs d'une "grande société d'énergie" dans ses efforts pour réduire et utiliser les gaz résiduaires grâce à la technologie des turbines. « Au lieu de l'évacuer dans l'environnement, ils prévoient de rediriger les sous-produits de la combustion à travers une turbine, capturant ainsi la chaleur normalement perdue tout en éliminant le carbone et d'autres polluants. C'est ce qu'on appelle la redirection des gaz de combustion au point de source, et comme pour la production d'énergie à petite échelle, l'impression 3D la rend beaucoup plus attrayante pour les producteurs d'énergie.

Heath Houghton est consultant commercial principal chez Autodesk Inc, basé à San Francisco. Il constate la même tendance vers la durabilité et la réduction de l'empreinte carbone, et a déclaré que "presque tous les clients" avec lesquels il s'est engagé au cours de l'année écoulée ont publié des objectifs dans ce sens. L'efficacité énergétique est un élément clé des deux, a-t-il noté, et un nombre croissant de fabricants se sont tournés vers la simulation et la conception générative dans le but d'atteindre leurs objectifs énergétiques d'entreprise.

De nombreux acteurs de l'industrie assimilent les logiciels de conception générative à la fabrication additive. Houghton convient que c'était l'une des premières utilisations de la nouvelle technologie, mais c'est loin d'être la dernière. "Les gens utilisent la générative pour produire des conceptions de pièces plus efficaces, quelle que soit la méthode de fabrication", a-t-il déclaré. "En fin de compte, tout se résume à l'optimisation de la topologie, et c'est efficace pour de nombreuses applications, y compris les composants énergétiques."

Comme pour Green de 3D Systems et d'autres personnes interrogées pour cet article, Houghton constate une activité accrue dans le secteur de l'énergie. Beaucoup de ces pièces sont assez grandes, a-t-il ajouté. Les carters de turbine et les roues, par exemple, sont des composants que Green connaît bien. Lorsqu'elles sont trop grandes pour tenir dans la chambre de construction d'une imprimante 3D ou lorsque cela a plus de sens sur le plan économique, ces pièces et d'autres pièces complexes similaires sont souvent produites à l'aide du processus de moulage à la cire perdue.

Là encore, l'impression 3D a commencé à jouer un rôle important. Les fabricants peuvent désormais éviter les longs processus de création de modèles traditionnels en utilisant QuickCast de 3D Systems et les technologies concurrentes, en imprimant des modèles à base de cire ou de résine en une fraction du temps nécessaire. De même, les logiciels de conception générative permettent aux concepteurs de fabriquer des composants de toutes sortes (énergétiques et autres) plus solides, plus légers et avec moins de matériaux. Cela signifie généralement moins d'usinage nécessaire, ce qui permet aux fabricants d'économiser du temps et de l'argent.

Pourtant, Houghton s'empresse de souligner qu'Autodesk apporte bien plus à la partie fabrication qu'un logiciel de conception et de simulation. Par exemple, le produit phare Fusion 360 de la société prend en charge la programmation de machines-outils CNC avec jusqu'à cinq axes de mouvement simultané, ainsi que la gestion centralisée des données, la collaboration entre les équipes de conception et de fabrication et une foule de capacités supplémentaires, dont l'impression 3D.

"Comme dans tout secteur industriel, l'énergie a ses propres défis uniques", a-t-il déclaré. "Comme je l'ai indiqué précédemment, les pièces sont généralement assez grandes, il existe donc non seulement d'importantes opportunités d'optimisation de la conception, mais également des opportunités de rationalisation des processus d'usinage et de fabrication. Nous aidons les fabricants à s'améliorer dans chacun de ces domaines."

Jeff Wallace, vice-président de l'ingénierie et directeur de la technologie de DMG Mori Federal Services Inc. (l'unité de vente et d'assistance du gouvernement américain du groupe DMG Mori) à Hoffman Estates, Illinois, a également beaucoup à dire sur la rationalisation. L'entreprise a développé une large gamme de machines CNC avancées, dont la plupart sont conçues pour combiner ce qui était autrefois des étapes d'usinage distinctes et, pour de nombreuses pièces, les compléter en une ou deux opérations seulement. Qu'il s'agisse d'un tour multitâche, d'un centre de tournage-fraisage ou d'un centre d'usinage à cinq axes, de telles capacités apportent d'énormes avantages aux ateliers d'usinage de toutes sortes, notamment ceux qui fabriquent des pièces énergétiques.

Et parce que ces machines-outils sont extrêmement complexes, DMG Mori a également travaillé dur pour les rendre aussi faciles à utiliser que possible. Ceci est accompli en grande partie grâce à des "cycles technologiques" qui, selon la société, réduisent le temps de programmation, assurent une structure de programme appropriée et minimisent les erreurs. Wallace a coché une poignée de ces cycles, y compris le multi-filetage, la surveillance facile des outils, le contrôle des vibrations de la machine, le tournage par interpolation et d'autres, dont certains en sont maintenant à leur deuxième itération.

Il y a aussi la fabrication de matériel. Les cycles d'équipement et de technologie de DMG Mori prennent en charge le taillage, le biseautage, le fraisage et le meulage, des opérations qui, jusqu'à récemment, étaient limitées à des équipements spécialisés. Certes, les engrenages se trouvent dans tout, de la machine à glaçons dans la porte de votre réfrigérateur à la transmission dans la voiture familiale, mais comme l'a souligné Houghton, les engrenages utilisés par l'industrie de l'énergie sont généralement beaucoup plus gros que les pièces de base que nous venons de nommer, et nécessitent donc de grosses machines (comme celle fabriquée par DMG Mori) pour être fabriquées.

Ils sont également produits en plus petites quantités et, compte tenu de la nécessité d'une rotation rapide des MRO et des pièces de rechange, avec des délais de livraison plus courts en plus.

L'équipement CNC multifonctionnel fourni par DMG Mori et quelques autres constructeurs de machines-outils de premier plan répond à toutes ces exigences.

"C'est une énorme aubaine pour l'industrie s'ils peuvent s'éloigner des machines de taillage et des rectifieuses d'engrenages dédiées", a déclaré Wallace. "Il y a plusieurs raisons à cela. Premièrement, si le travail se tarit pour l'une de ces machines, elles restent inactives, alors qu'un multitâche peut être utilisé pour fabriquer à peu près tout ce qui passe par la porte. Deuxièmement, les délais de livraison des fraises à engrenages, des plaques de cuisson et des skives se mesurent généralement en semaines, voire en mois, donc si vous n'avez pas le bon outil sous la main, vous allez attendre longtemps pour fabriquer cet équipement. "

Wallace prévient que les machines CNC multifonctionnelles ne sont pas la solution ultime pour certaines applications. Pour la fabrication à grand volume où les nombres de pièces sont limités, un équipement dédié à la fabrication d'engrenages reste la solution la plus rentable, bien que moins flexible. La même chose peut être dite pour les engrenages qui exigent une précision extrême et des finitions de surface fines, bien que cette affirmation soit moins vraie qu'elle ne l'était autrefois. "Nous broyons sur un grand nombre de nos plates-formes et avons également un groupe de broyage dédié appelé Taiyo Koki, qui peut donc souvent concourir également dans ce domaine."

Il en va de même pour Sandvik Coromant US de Mebane, NC, qui propose une variété de fraises à engrenages en acier rapide, en carbure monobloc et indexables qui répondent à un besoin spécifique dans l'industrie de la fabrication d'engrenages : le biseautage. "Parce que les machines-outils à cinq axes sont devenues suffisamment précises pour maintenir la broche principale et la broche de l'outil parfaitement synchronisées sans décalage ni décalage, elles sont désormais capables d'alimenter skiv, un processus avancé utilisé pour fabriquer des cannelures et des engrenages internes et externes."

C'est ce qu'affirme Chuck Kirts, spécialiste des ventes et des applications SAA pour le fraisage d'engrenages chez Sandvik Coromant. Il souligne que le skiving et d'autres formes de génération d'engrenages sur les centres d'usinage sont plus difficiles à vendre aux clients effectuant des quantités automobiles avec des machines de taillage d'engrenages dédiées. Mais pour les clients et fournisseurs automobiles qui démarrent de nouvelles lignes de production ou remplacent des lignes plus anciennes, ces machines offrent une option abordable et fiable. Sur les marchés de l'aérospatiale et de l'énergie où les quantités sont plus faibles, c'est une voie claire vers l'avant, en particulier avec les métaux durs énumérés précédemment.

"J'ai récemment travaillé avec une entreprise du sud qui fabriquait des pièces d'environ 10 pieds de diamètre sur l'une des plus grandes machines de DMG Mori", a déclaré Kirts. "Nous avons utilisé l'une de nos fraises à dénuder CoroMill 180 indexables pour générer le profil de l'engrenage, et parce qu'elles avaient le bon cycle technologique et des broches à entraînement direct et de haute précision, elles ont été assez réussies."

Engrenages, carters de turbines, anneaux de stator : l'industrie de l'énergie et les pièces qu'elle produit ne se limitent pas à ces quelques exemples. Pensez aux éoliennes. Oui, ceux-ci utilisent certains des mêmes composants et partagent quelques similitudes avec d'autres équipements de production d'énergie, mais là où une centrale au charbon brûle des morceaux de carbone pour produire de l'électricité et qu'une centrale nucléaire sépare des atomes d'uranium dans une explosion continue et soigneusement contrôlée, les parcs éoliens ne font que tourner doucement dans la brise.

Guy Dorrell en sait quelque chose. Membre de l'équipe mondiale de communication externe de Siemens Gamesa Renewable Energy SA, basée à Vizcaya, en Espagne, il est l'un des plus grands fans d'énergie éolienne et est particulièrement intrigué par le processus de fabrication derrière le composant le plus visible de toute turbine : ses pales. "C'est la plus grande structure monobloc au monde, plus grande que les canons d'artillerie, les coques de chars, etc. Rien d'autre ne se compare."

Pour ceux d'entre vous qui sont passés devant un parc éolien offshore et qui se sont demandé comment ces pales sont fabriquées, vous pourriez être surpris de la réponse. Il n'y a pas de machinerie massive ici, a expliqué Dorrell, ni de robots rampant sur la longueur de 100 mètres ou plus de la lame, seulement une équipe d'artisans qualifiés construisant chaque lame à la main. Ils déposent des sections individuelles de fibre de verre et de fibre de carbone dans un moule avec de la résine entre chacune, lissent le tout avec des rouleaux, puis le retournent et répètent le processus sur l'autre moitié. Une fois terminé, le tout est placé dans un four pendant environ une semaine. La pale est ensuite poncée, inspectée, peinte, transportée sur le chantier en mer et boulonnée à la nacelle. "C'est la chose la plus impressionnante et la plus incroyable que vous puissiez imaginer."

Lorsqu'on lui a demandé pourquoi Siemens Gamesa n'avait pas suivi les traces de l'industrie aéronautique et automatisé le processus, son explication était simple. "Cela ne peut tout simplement pas être fait", a-t-il déclaré. "Les pales sont effilées et ont une forme de profil aérodynamique très complexe avec des structures internes très complexes pour les empêcher de s'éloigner dans des vents de 100 mph. Nous équilibrons également les pales, puis les associons à d'autres qui fonctionneront ensemble pour atténuer les effets harmoniques. Croyez-moi, nous avons cherché des moyens de le mécaniser, mais jusqu'à présent, la technologie n'existe pas. "

Comme indiqué, Dorrell est fier des artisans et de tout ce que fait l'entreprise. Il a déclaré qu'il y a 10 ans, Siemens Gamesa installait des éoliennes offshore d'une capacité de production de 2,3 mégawatts. Six générations plus tard, cette valeur est passée à 14 mégawatts, soit suffisamment d'énergie pour alimenter une maison à chaque rotation des pales massives. C'est l'avenir qui l'excite le plus : l'entreprise teste actuellement des moyens de produire de l'hydrogène à partir d'eau de mer, une source d'énergie qui, selon lui, sera « complètement bénigne » pour l'environnement.

Jusqu'à ce jour, Dorrell continue de vanter les louanges de l'énergie éolienne. Là où les combustibles fossiles obligent les producteurs d'énergie à réinvestir continuellement alors que les puits s'assèchent et qu'ils sont obligés de trouver de nouveaux approvisionnements, le vent est le cadeau qui continue de donner.

"La fabrication est certes un peu difficile, tout comme les plonger dans l'eau, mais une fois que vous avez payé l'investissement, tout est dans la sauce", a déclaré Dorrell.

"Avec un peu d'entretien de routine, ils continuent de tourner et de tourner pendant plusieurs décennies. Et grâce à une nouvelle technologie que nous avons développée, nous pouvons maintenant recycler les pales et réutiliser les matériaux plutôt que de tout enterrer dans une décharge comme cela a été le cas. C'est vraiment une source d'énergie verte, et elle ne fera que s'améliorer au fil des années."

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