L'impression 3D élargit les possibilités d'énergie renouvelable

Les ressources naturelles de la Terre ne sont pas illimitées et la recherche d'alternatives s'intensifie. Les combustibles fossiles tels que le charbon, le gaz naturel, le propane et d'autres solutions à base de carbone sont livrés avec un bagage considérable, y compris la volatilité des prix et de la disponibilité. Historiquement, les soi-disant événements du cygne noir, y compris l'invasion de l'Ukraine, ont provoqué des fluctuations massives des prix des produits sur lesquels les industries et les consommateurs comptent. De plus, il y a les problèmes omniprésents des gaz à effet de serre et d'autres polluants liés à la combustion de combustibles fossiles.

Les entreprises et les consommateurs recherchent de plus en plus des solutions locales qui offrent une stabilité des prix et de la disponibilité. Pour les grandes entreprises, en particulier les services publics, la géothermie pourrait être l'une de ces réponses. Surnommés "le soleil sous nos pieds", les systèmes géothermiques puisent dans la chaleur extrême de la terre pour faire tourner des turbines et créer une électricité propre et fiable. Bien qu'il soit nécessaire d'aller en profondeur, vraiment en profondeur, pour atteindre les couches qui fournissent suffisamment de chaleur pour faire tourner les turbines, les avantages sont clairs : les sources géothermiques sont constantes et ne sont pas affectées par les troubles politiques et économiques.

Conscient de cela, le Département de l'énergie (DoE) a lancé le Prix de la fabrication géothermique de fabrication américaine en 2020, qui offre plus de 4,6 millions de dollars pour stimuler la recherche sur cette ressource renouvelable, en mettant l'accent sur la fabrication additive (AM), ou impression 3D, pour faire avancer le domaine. En 2022, Downhole Emerging Technologies (DET), basée à Houston, a remporté l'un des deux grands prix de 500 000 $ pour le développement d'une nouvelle forme de système de packer, un élément essentiel qui régule le flux de chaleur et de vapeur dans les puits géothermiques. La réalisation n'aurait pas été possible sans AM.

Une chose à retenir est que la Terre est tout sauf hospitalière à ces profondeurs. Entre des températures extrêmes allant jusqu'à 700 °F (371 °C), suffisantes pour faire fondre certains métaux, et un environnement hautement corrosif, vous devez trouver les bons matériaux et les bonnes géométries de pièces pour résister à de tels abus. Cela nécessite une modélisation, des tests et des itérations pour déterminer l'efficacité de chaque partie.

Les fondateurs de DET, Ken Havlinek et Tingji "TJ" Tang, ont travaillé pendant des années dans l'industrie pétrolière et gazière. Étant donné que les puits de ces applications sont moins profonds, leurs packers sont généralement en caoutchouc ou en plastique, des matériaux qui fondraient sous la chaleur de la Terre profonde. Pour ce concours, les partenaires ont porté leurs connaissances dans le domaine de l'énergie géothermique et ont conçu une solution élégante et un nouveau défi pour l'impression 3D.

Dans le passé, certaines de ces pièces pouvaient avoir été fabriquées à l'aide d'un usinage CNC ou d'un moulage par injection. Bien que les deux fabriquent des pièces exceptionnelles, le processus de peaufinage des conceptions pour obtenir les résultats souhaités est plus complexe. Avec le moulage, vous devez créer un nouvel outil (moule) pour chaque itération, ce qui prend du temps et coûte cher.

Après une évaluation minutieuse, DET a pensé qu'il pourrait être possible d'imprimer certaines de leurs pièces, y compris le packer. L'impression avait également du sens car le temps était compté. Les délais étaient imminents et l'impression 3D offrait la possibilité d'itérer et d'améliorer rapidement les conceptions de pièces. En tant que vétéran de l'industrie pétrolière et gazière, Havlinek a admis qu'AM ne lui était pas venu à l'esprit pour fabriquer le packer et certaines des autres pièces, mais le prix DOT l'a aidé à voir ses idées d'une nouvelle manière.

"Comme moi, les experts qui travaillent sur ces défis géothermiques n'apprécient pas ou ne comprennent pas nécessairement la valeur que la fabrication additive peut apporter", a reconnu Havlinek. Grâce aux conseils rapides de conception pour la fabrication de Protolabs, DET a pu expérimenter plusieurs matériaux, ajuster les géométries et voir les résultats en quelques jours.

Il était évident que les pièces devaient être en métal. Rien d'autre ne survivrait dans l'environnement souterrain surchauffé et corrosif. Cela signifiait utiliser le frittage laser direct de métal (DMLS), un processus d'impression qui utilise des métaux en poudre comme matériau de base pour construire une pièce couche par couche, en soudant de minuscules grains de poudre métallique ensemble par un laser haute puissance. Essentiellement, le laser dessine la pièce dans le lit de poudre jusqu'à ce que toutes les couches soient formées et que la pièce soit terminée.

L'un des avantages de l'utilisation du DMLS est que les pièces peuvent inclure des géométries complexes qui seraient impossibles à réaliser via des processus de fabrication plus traditionnels tels que le moulage, le forgeage ou l'usinage. De plus, les métaux ont des qualités de dureté presque égales à un bloc solide de ce métal. Pour ces raisons, de nombreuses entreprises se tournent vers DMLS pour fabriquer des pièces complexes.

DMLS propose également une large gamme de métaux, notamment l'aluminium (AlSi10Mg), le chrome-cobalt, l'Inconel 718, deux types d'acier inoxydable (17-4 PH et 316L) et le titane (Ti6Al-4V). Chacun a une résistance et une tolérance différentes aux produits corrosifs et à la chaleur.

En fait, l'une des pièces de DET a nécessité une impression sur une imprimante GE Additive X Line 2000R. Mesurant un énorme 19" (482,6 mm) de haut, avec une largeur de 4,7" (119,4 mm), ce manchon s'est avéré être la pièce métallique la plus haute jamais imprimée chez Protolabs.

Des caractéristiques spécialisées sur l'une des parties les plus importantes du packer (une grande forme annulaire) devaient avoir la capacité de se déformer de manière efficace et cohérente, d'une manière qui nécessitait moins de force pour se comprimer ou s'étirer. C'était vital pour le succès de l'emballeur. La création d'un anneau avec ces spécifications via l'usinage CNC aurait créé d'énormes déchets métalliques, ce qui se traduit souvent par des coûts plus élevés.

Dans ce cas, cependant, il était tout simplement impossible d'usiner la pièce avec les caractéristiques internes essentielles à ses performances. L'équipe DET a donc affiné la pièce pour l'impression 3D. La FA offrait une plus grande liberté de conception, de sorte que l'équipe pouvait être créative et pousser les caractéristiques de la structure au-delà de ce que l'usinage pouvait réaliser. De plus, les déchets ont été pratiquement éliminés.

"Sans ces caractéristiques, il aurait fallu beaucoup plus d'énergie pour faire le travail, et nous voulions utiliser le moins d'énergie possible pour atteindre la gamme complète de mouvements requise pendant le fonctionnement du système de packer", a ajouté Havlinek. "Plus la force requise est faible, mieux c'est. Grâce à la fabrication additive, nous avons pu atteindre nos objectifs de conception."

Au cours des prochains mois, le système de packer de DET subira des tests et des améliorations avant d'être prêt à être mis sur le marché. Alors que le DoE et le prototypage rapide ont lancé ce rêve, le résultat contribuera à ouvrir un avenir plus durable et plus sûr pour la production d'énergie. Cette expérience pourrait également ouvrir les yeux des concepteurs/ingénieurs d'autres entreprises à envisager des pièces imprimées en 3D pour leurs projets.

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