地?zé)崮茉葱袠I(yè)初創(chuàng)公司：3D打印地?zé)崛�金屬井封隔�?/a>

導(dǎo)讀：地球的自然資源并非取之不盡，尋找替代資源的步伐也在加快。煤炭、天然氣、丙烷和其他碳基解決方案等化石燃料為環(huán)境帶來了相當(dāng)大的問題。溫室氣體和其他與燃燒化石燃料有關(guān)的污染物問題無處不在。


△DET 創(chuàng)始人 Tingji “TJ” Tang 博士和 Ken Havlinek 博士。

走向可再生能源
企業(yè)和消費(fèi)者都越來越多地尋求具有價(jià)格和可用性都穩(wěn)定的本土解決方案。對(duì)于較大的公司，地?zé)峥赡苁瞧渲械囊环N解決方案。地?zé)嵯到y(tǒng)被稱為“腳下的太陽”，它利用地球的極熱驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)并產(chǎn)生清潔、可靠的電力。雖然需要非常深入才能到達(dá)能提供足夠熱量來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的地層，但好處是十分明顯的，地?zé)嵩词且恢碌�，不受政治和�?jīng)濟(jì)動(dòng)蕩的影響。

意識(shí)到這一點(diǎn)，美國(guó)能源部 (DoE) 于 2020 年啟動(dòng)了美國(guó)制造地?zé)嶂圃飒?jiǎng)，該獎(jiǎng)提供超過 460 萬美元用于推動(dòng)對(duì)這種可再生資源的研究，重點(diǎn)是增材制造 (AM) 或 3D 打印。2022 年，總部位于休斯頓的 Downhole Emerging Technologies (DET) 憑借開發(fā)新型封隔器系統(tǒng)獲得了500,000 美元大獎(jiǎng)，這是一種調(diào)節(jié)地?zé)峋�中熱量和蒸汽流�?dòng)的關(guān)鍵要素，在這個(gè)項(xiàng)目中，他們使用了AM技術(shù)。

在地球深處生存



在高達(dá) 700° F (371° C) 的極端溫度（足以熔化某些金屬）和高腐蝕性環(huán)境之間，人類需要找到合適的材料和零件幾何形狀來承受這種“變態(tài)”的環(huán)境。這需要建模、測(cè)試和迭代以確定每個(gè)部分的功效。DET 的創(chuàng)始人 Ken Havlinek 和 Tingji “TJ” Tang 在石油和天然氣行業(yè)工作多年。由于這些應(yīng)用中的井較淺，它們的封隔器通常由橡膠或塑料制成，這些材料會(huì)在地球深處的高溫下熔化。在本次比賽中，合作伙伴將他們的知識(shí)移植到地?zé)崮茴I(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一個(gè)解決方案，使用了3D打印技術(shù)。

3D打印加速迭代
傳統(tǒng)上，零件大多是使用CNC加工或注塑成型制造的，雖然兩者都能制造出色的部件，但調(diào)整設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果的過程十分復(fù)雜，每次迭代都要制作一個(gè)新工具（模具），既耗時(shí)又昂貴。

經(jīng)過仔細(xì)評(píng)估，DET打印了一些零件，包括包裝機(jī)。3D打印也在時(shí)間上具有足夠多的優(yōu)勢(shì)，能夠快速迭代和提供改進(jìn)零件設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。Havlinek 承認(rèn)“像我一樣，致力于應(yīng)對(duì)這些地?zé)崽魬?zhàn)的專家，不一定欣賞或理解增材制造可以帶來的價(jià)值，但得益于 Protolabs 提供的快速制造設(shè)計(jì)建議，DET 可以試驗(yàn)多種材料、調(diào)整幾何形狀并在幾天內(nèi)看到結(jié)果�！�

零件背后的技術(shù)
零件需要由金屬制成，因?yàn)樵诘挚惯^熱和具有腐蝕性的地下環(huán)境中，沒有其他東西可以"生存"。研究人員使用直接金屬激光燒結(jié) (DMLS)進(jìn)行零件的制造，這是一種使用粉末金屬作為基礎(chǔ)材料逐層構(gòu)建零件的打印工藝，通過高功率激光將微小的金屬粉末顆粒焊接在一起。本質(zhì)上，激光在粉末床中繪制零件，直到形成所有層并完成零件。

使用 DMLS 的優(yōu)勢(shì)之一是零件可以設(shè)計(jì)成任何復(fù)雜的幾何形狀，而這些幾何形狀不可能通過更傳統(tǒng)的制造工藝（例如鑄造、鍛造或機(jī)加工）制造。此外，這些金屬的硬度等于該金屬的固體塊。由于這些原因，許多公司正在轉(zhuǎn)向 DMLS 來制造復(fù)雜的零件。DMLS 還提供范圍廣泛的金屬，包括鋁 (AlSi10Mg)、鈷鉻合金、Inconel 718、兩種不銹鋼（17-4 PH 和 316L）和鈦 (Ti6Al-4V)，每一種都具有不同的強(qiáng)度和對(duì)腐蝕劑和熱的耐受性。

在實(shí)際需求中，DET 的一個(gè)零件需要在 GE Additive X Line 2000R 打印機(jī)上打印。該套管高 19 英寸（482.6 毫米），寬 4.7 英寸（119.4 毫米），是 Protolabs 打印過的最高金屬部件。

封隔器最重要部件之一，大環(huán)形必須能夠有效成型且一致地變形。這對(duì)制造的要求很高，通過 CNC 加工制造具有這些規(guī)格的環(huán)形會(huì)產(chǎn)生大量金屬?gòu)U料，這通常需要更高的成本。在這種情況下，根本不可能用對(duì)其性能至關(guān)重要的內(nèi)部特征來加工零件，因此 DET 團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了零件，進(jìn)行了3D打印。增材制造提供了更大的設(shè)計(jì)自由度，因此團(tuán)隊(duì)可以發(fā)揮創(chuàng)造力，將結(jié)構(gòu)的特征推向機(jī)械加工無法達(dá)到的水平。

Havlinek 補(bǔ)充道：“如果沒有3D打印，完成工作將很困難，我們希望使用盡可能少的制作步驟來實(shí)現(xiàn)封隔器系統(tǒng)運(yùn)行期間所需的全部功能。多虧了增材制造，我們才能夠達(dá)到我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)�！�

收拾行裝繼續(xù)前行



在接下來的幾個(gè)月里，DET 的包裝系統(tǒng)將在準(zhǔn)備上市前進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)。雖然美國(guó)能源部和快速原型制作開啟了這個(gè)夢(mèng)想，但其結(jié)果將有助于為能源生產(chǎn)開辟一個(gè)更可持續(xù)、更安全的未來。同時(shí)也給全世界的設(shè)計(jì)師提供一個(gè)新思路——可以在他們的項(xiàng)目中使用3D打印部件。