Protolabs 3D打印大型金屬封隔器，可應用于地熱能源領域

在2022年8月份，美國能源部（DOE）發(fā)布了美國本土地熱制造獎（American-Made GeothermalManufacturing Award）一等獎獲得者的名單，其中之一就是Downhole EmergingTechnologies（DET）公司。這家位于休斯敦的初創(chuàng)公美司因其開發(fā)的用于提取地熱能源的全金屬系統(tǒng)而獲得了50萬美元的現(xiàn)金獎勵（以及高達20萬元的額外資金）。

△圖片來源：維基百科

DET創(chuàng)造的部件是石油和天然氣鉆探中使用的金屬封隔器，由位于明尼蘇達州的先進加工和增材制造（AM）服務提供商Protolabs打印。在Protolabs團隊公布的案例研究中，概述了他們?yōu)镈ET增材制造金屬封隔器所做的工作。除了強調增材制造在地熱能源領域可以發(fā)揮的作用之外，該案例研究還有助于說明增材制造在可再生能源領域的潛力。

△圖片來源：Protolabs

據(jù)Protolabs稱，在多次嘗試設計該零件以便用傳統(tǒng)機械加工生產(chǎn)后，DET最終確定的迭代方案只能用增材制造。Protolabs在GE Additive X生產(chǎn)線打印機上打印了用于評獎的最終部件，稱為鉆石極端溫度隔離封隔器（E-TIP），采用Inconel 718，這是一個直接金屬激光燒結（DMLS）平臺。

在石油和天然氣等地熱能源的鉆探中，封隔器是必要的部件，因為它可以為灌入鉆井的水泥創(chuàng)造一個基礎。當前，行業(yè)內(nèi)有許多不同的地熱能提取方法，但所有用于發(fā)電廠的增強型地熱系統(tǒng)（EGS）概念都涉及深井鉆探，目的是將自然產(chǎn)生的熱水或蒸汽引到地面的發(fā)電廠。然后，提取的液體或蒸汽被用作直接加熱源，或用于加熱另一種燃料源，如異丁烷。

△圖片來源：DET

盡管商業(yè)上可用的石油和天然氣的封隔器通常由橡膠或塑料制成，但這些材料通常不適合與地熱能源相關的高溫。而且，考慮到為金屬封隔器開發(fā)新設計的挑戰(zhàn)，DET的團隊選擇了增材制造技術--就像通常有關重工業(yè)終端產(chǎn)品的應用一樣--因為他們首選設計的最終版本具有獨特的形狀。DET的首席執(zhí)行官Ken Havlinek在接受Protolabs的內(nèi)容團隊采訪時解釋了這一點。

Havlinek非常簡潔地總結了DET轉向增材制造技術的理由："為什么我們不選擇其他加工方法制造封隔器呢？除了因為封隔器是空心的，還有一些額外的因素表明它更適合于3D打印。具體來說，我們設計它的目的是要用更少的力量來壓縮它和拉伸它，并獲得完全相同的變形和性能。我們希望使用盡可能少的能量來設置這個東西，然后讓這個東西脫離或縮回。完成這些操作所需的力越小越好。因此3D打印使我們能夠減少所需的力量�！�

△圖片來源：DET

Havlinek還提到，DET最初并不只是開發(fā)一個獨特的封隔器系統(tǒng)，而是要開發(fā)一個全新的設置系統(tǒng)（用于放置封隔器，并對其施加壓力）。特別是在能源部競賽所要求的時間范圍內(nèi)，只有通過增材制造技術才能實現(xiàn)復雜的設計，這使得DET和Protolabs能夠執(zhí)行一個封隔器的概念，在利用商業(yè)設置系統(tǒng)的同時完成工作。

△圖片來源：DET

最新一代的地熱能源系統(tǒng)恰好是在一個最佳的時間出現(xiàn)的，相對于一般的先進制造技術，特別是增材制造支持的供應鏈的預期規(guī)模。這本身就說明了DET和Protolabs所展示的課程的相關性，即可再生能源領域的公司通過將增材制造納入其供應鏈可以實現(xiàn)的優(yōu)勢。最簡單地說，可再生能源公司可以利用目前商業(yè)上最好的東西，同時也可以在新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)時創(chuàng)造自己的新的解決方案。可再生能源供應商處于一個理想的位置，能夠從現(xiàn)有的供應鏈中獲益，同時又相對不受它們的約束。

因此，不僅僅是這兩個行業(yè)擴大規(guī)模的偶然的共同時機，使增材制造成為可再生能源公司的合理選擇。從長遠來看，全球經(jīng)濟越是轉向利用可再生能源，就越是明顯，一刀切的解決方案不會像傳統(tǒng)的化石燃料供應鏈那樣適用于可再生能源。由于可再生能源在本質上必須與周圍的生態(tài)環(huán)境合作，而不是對抗，可再生能源公司將不可避免地面臨越來越多的情況，需要為特定用途設計硬件。正如DET和Protolabs提供的案例研究所示，增材制造將是確保這種努力取得成功的一個不可或缺的工具。