Protolabs 3D打印大型金屬封隔器，可應(yīng)用于地?zé)崮茉搭I(lǐng)域

在2022年8月份，美國能源部（DOE）發(fā)布了美國本土地?zé)嶂圃飒?jiǎng)（American-Made GeothermalManufacturing Award）一等獎(jiǎng)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?zé)崮茉吹娜�金屬系統(tǒng)而獲得了50萬美元的現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)（以及高達(dá)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(dá)州的先進(jìn)加工和增材制造（AM）服務(wù)提供商Protolabs打印。在Protolabs團(tuán)隊(duì)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(qiáng)調(diào)增材制造在地?zé)崮茉搭I(lǐng)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(lǐng)域的潛力。

△圖片來源：Protolabs

據(jù)Protolabs稱，在多次嘗試設(shè)計(jì)該零件以便用傳統(tǒng)機(jī)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(jī)上打印了用于評(píng)獎(jiǎng)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(gè)直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）平臺(tái)。

在石油和天然氣等地?zé)崮茉吹你@探中，封隔器是必要的部件，因?yàn)樗�可以為灌入鉆井的水泥創(chuàng)造一個(gè)基礎(chǔ)。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)有許多不同的地?zé)崮芴崛》椒�，但所有用于發(fā)電廠的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(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?zé)崮茉聪嚓P(guān)的高溫。而且，考慮到為金屬封隔器開發(fā)新設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，DET的團(tuán)隊(duì)選擇了增材制造技術(shù)--就像通常有關(guān)重工業(yè)終端產(chǎn)品的應(yīng)用一樣--因?yàn)樗麄兪走x設(shè)計(jì)的最終版本具有獨(dú)特的形狀。DET的首席執(zhí)行官Ken Havlinek在接受Protolabs的內(nèi)容團(tuán)隊(duì)采訪時(shí)解釋了這一點(diǎn)。

Havlinek非常簡(jiǎn)潔地總結(jié)了DET轉(zhuǎn)向增材制造技術(shù)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?yàn)榉飧羝魇强招牡模�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?cè)O(shè)計(jì)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(shè)置這個(gè)東西，然后讓這個(gè)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(gè)獨(dú)特的封隔器系統(tǒng)，而是要開發(fā)一個(gè)全新的設(shè)置系統(tǒng)（用于放置封隔器，并對(duì)其施加壓力）。特別是在能源部競(jìng)賽所要求的時(shí)間范圍內(nèi)，只有通過增材制造技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，這使得DET和Protolabs能夠執(zhí)行一個(gè)封隔器的概念，在利用商業(yè)設(shè)置系統(tǒng)的同時(shí)完成工作。

△圖片來源：DET

最新一代的地?zé)崮茉聪到y(tǒng)恰好是在一個(gè)最佳的時(shí)間出現(xiàn)的，相對(duì)于一般的先進(jìn)制造技術(shù)，特別是增材制造支持的供應(yīng)鏈的預(yù)期規(guī)模。這本身就說明了DET和Protolabs所展示的課程的相關(guān)性，即可再生能源領(lǐng)域的公司通過將增材制造納入其供應(yīng)鏈可以實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。最簡(jiǎn)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(shí)也可以在新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)時(shí)創(chuàng)造自己的新的解決方案�？稍偕�能源供應(yīng)商處于一個(gè)理想的位置，能夠從現(xiàn)有的供應(yīng)鏈中獲益，同時(shí)又相對(duì)不受它們的約束。

因此，不僅僅是這兩個(gè)行業(yè)擴(kuò)大規(guī)模的偶然的共同時(shí)機(jī)，使增材制造成為可再生能源公司的合理選擇。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，全球經(jīng)濟(jì)越是轉(zhuǎn)向利用可再生能源，就越是明顯，一刀切的解決方案不會(huì)像傳統(tǒng)的化石燃料供應(yīng)鏈那樣適用于可再生能源。由于可再生能源在本質(zhì)上必須與周圍的生態(tài)環(huán)境合作，而不是對(duì)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(shè)計(jì)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(gè)不可或缺的工具。