強力なパーツ

強靱な材料、厳しい公差、少量生産、複雑な形状 - 大手サプライヤーがエネルギー業界の厳しい要求に対処するためのアドバイスを提供します

アメリカは世界初の再生可能エネルギー源である木材に基づいて建国されました。 悲しいことに、この国の入植者たちは、家の暖房や料理のために燃やしていた木々の成長が需要の増加に追いつかないことにすぐに気づき、石炭に切り替えました。

しかし、電気、そして自動車の発明により、石炭の化石燃料に相当する石油や天然ガスがすぐにエネルギーパレードの先頭に立ち、今日でもトップの座を維持しています。 実際、米国エネルギー情報局 (EIA) の 2022 年年次エネルギー見通し報告書では、非再生可能エネルギー源が 2050 年まで運転席に留まり続けると予測しています。

また、地球温暖化や大気汚染への懸念が注目を集める中、太陽光発電、水素発電、風力発電など、より地球に優しい代替手段が勢いを増しているとも指摘した。 これに原子力エネルギーの復活と、既存の水力発電源を最新技術でアップグレードする動きが加わり、電気の壁には「化石燃料は最終的には（この団塊の世代が生きている間にはありそうにないが）先史時代の植物と同じ道を歩むだろう」と書かれている。そしてそれを作った動物たち。

エネルギー源が何であれ、その光子、分子、または動きを収集し、それを電気に変換することは、困難な作業です。 たとえば、海洋石油プラットフォームは数百フィート、数千フィートの深さの水中で稼働し、その深さの何倍もの深さの地面に穴を掘削しなければなりません。 圧力は非常に高く、流体は非常に腐食性が高く、温度は非常に高くなります。

このため、油井や製油所では、ジェット エンジンやその他の航空機部品に使用されているものと同じ耐熱超合金 (HRSA) が多く使用されています。 インコネル 718 や 17-4 PH ステンレスなどの金属には、クロム、モリブデン、ニッケル、その他の合金元素が比較的多量に含まれており、これらの元素がなければ通常の鋼であるものを非常に靭性と強度を高めます。残念なことに、これらの合金は機械加工や加工を困難にします。捏造する。

スコット・グリーンは、機械加工性についてはほとんど気にしません。 サウスカロライナ州ロックヒルにある 3D Systems Inc. の主任ソリューション リーダーとして、彼が関心を持っているのは、部品点数の削減、燃料効率、市場投入までの時間であり、これらの特性により、ダイレクト メタル プリンティング (DMP) が自動車業界に大きく浸透することが可能になります。エネルギー部門、特に産業用ガスタービン（IGT）市場。

この成功の多くは、これらの高性能金属を、かつては製造不可能、または少なくとも製造コストが非常に高かった非常に複雑な形状に加工し、途中の機械加工および組み立てステップの一部またはすべてを排除する DMP の能力によるものです。 「分散型発電と貯蔵におけるマイクロタービンの使用には大きなチャンスがあり、それは積層造形に大きな影響を及ぼします」と同氏は述べた。

2021年の冬にテキサス州で何が起こったかを見てください、悪天候により送電網の大部分が停止したと彼は指摘しました。 分散型発電ならこれは避けられただろう。 次に、カリフォルニア州では、テスラ パワーウォールの所有者が電力を送電網にフィードバックすることで停電の緩和に貢献しました。 このような例は、近代化されたエネルギー ソリューションが、小規模で局所的な発電を含むものであることを示しており、ますます普及しており、地球全体ではないにしても、すぐに米国全土で爆発的に普及するでしょう。

グリーン氏は、マイクロタービンはこのエネルギー方程式の重要な部分であると主張します。 地方自治体や郡政府が独自の電力供給に投資すると、州や地域のエネルギーインフラへの依存度が突然大幅に低下し、天候や社会関連の混乱に対する耐性が高まります。

3D プリントはこれと何の関係があるのでしょうか? いい質問ですね、とグリーンは言いました。 「他の製造分野で見てきたように、DMP は多くのメリットをもたらします。まず、大型の産業用タービンのサイズを縮小するにつれて、部品を統合する機会が増加します。これにより、設計が簡素化され、コストが削減されます。メーカーも同様にメリットを享受できます」 」

また、既存のエネルギーインフラをより地球に優しいものにするのにも役立ちます。

適切に名付けられた Green 社は、「大手エネルギー会社」のエンジニアと協力して、タービン技術を通じて廃ガスを削減し、利用する取り組みを行っています。 「環境に排出する代わりに、彼らは燃焼副産物をタービンを通して方向転換することを計画している。それによって、通常は廃熱となるものを捕捉しながら炭素やその他の汚染物質も除去する。これは発生源地点排ガス方向転換と呼ばれるもので、小規模エネルギー生成の 3D プリンティングは、エネルギー生産者にとってさらに魅力的なものになっています。」

ヒース・ホートン氏は、サンフランシスコに本拠を置くオートデスク社の主任ビジネスコンサルタントです。彼は、持続可能性と二酸化炭素排出量の削減に向けた同様の傾向を目の当たりにしており、過去 1 年間に関わった「ほぼすべての顧客」が、それに沿った目標を公表していると述べました。これらの行。 同氏は、エネルギー効率は両方の重要な要素であり、企業のエネルギー目標を達成するためにシミュレーションとジェネレーティブ デザインに注目するメーカーが増えていると指摘しました。

業界の多くは、ジェネレーティブ デザイン ソフトウェアを積層造形と同一視しています。 ホートン氏は、これが新しいテクノロジーの最初の用途の 1 つであることに同意しますが、最後ではありません。 「人々は、製造方法が何であれ、より効率的な部品設計を作成するためにジェネレーティブを使用しています」と彼は言いました。 「結局のところ、すべてはトポロジーの最適化に帰着します。これは、エネルギー部品を含む多くのアプリケーションに効果的です。」

この記事のためにインタビューした 3D Systems の Green 氏やその他の人々と同様に、ホートン氏もエネルギー分野での活動の増加を目の当たりにしています。 これらの部品の多くは非常に大きい、と彼は付け加えた。 たとえば、タービン ハウジングとインペラは、Green がよく知っているコンポーネントです。 3D プリンターの造形チャンバー内に収まらないほど大きすぎる場合、または経済的に合理的である場合、これらの部品や同様に複雑な部品は、多くの場合、インベストメント鋳造プロセスを使用して製造されます。

ここでも 3D プリンティングが重要な役割を果たし始めています。 メーカーは 3D Systems の QuickCast および競合テクノロジーを使用することで、従来の時間のかかるパターン作成プロセスを回避し、必要な時間のうちにワックスまたは樹脂ベースのパターンを印刷できるようになりました。 同様に、ジェネレーティブ デザイン ソフトウェアを使用すると、設計者は、エネルギーやその他のあらゆる種類のコンポーネントをより強力に、より軽量に、より少ない材料で作成できます。 これは一般に、必要な加工が少なくなり、メーカーの時間とコストが節約されることを意味します。

しかし、ホートン氏は、オートデスクが製造関係者に設計やシミュレーション ソフトウェア以上のものをもたらしていることをすぐに指摘しました。 たとえば、同社の主力製品である Fusion 360 は、最大 5 軸の同時動作による CNC 工作機械のプログラミングをサポートするほか、一元的なデータ管理、設計チームと製造チーム間のコラボレーション、および多数の追加機能、3D プリンティングをサポートしています。彼ら。

「他の産業分野と同様に、エネルギーにも独自の課題があります」と同氏は述べた。 「先ほども述べたように、部品は通常非常に大きいため、設計の最適化の大きな機会だけでなく、機械加工や製造プロセスを合理化する機会も得られます。私たちはメーカーがこれらの各分野で改善できるよう支援します。」

イリノイ州ホフマン エステーツにある DMG 森フェデラル サービス社 (DMG 森グループの米国政府販売およびサポート部門) のエンジニアリング担当副社長兼最高技術責任者であるジェフ ウォレス氏も、合理化について多くのことを語っています。 同社は幅広い先進的な CNC 機械を開発しており、その多くはかつては別々だった加工ステップを組み合わせて設計されており、多くの部品では 1 回または 2 回の操作で完成します。 複合旋盤、ターンミル センター、5 軸マシニング センターのいずれであっても、このような機能は、エネルギー部品を製造するあらゆる種類の機械工場に多大なメリットをもたらします。

また、このような工作機械は非常に複雑であるため、DMG 森では、工作機械をできるだけ簡単に操作できるよう努力してきました。 これは主に「テクノロジーサイクル」によって実現されており、同社によれば、プログラミング時間を短縮し、適切なプログラム構造を保証し、エラーを最小限に抑えることができるという。 Wallace は、マルチスレッド、簡単な工具モニタリング、機械振動制御、補間旋削加工などを含むいくつかのサイクルを実行し、その一部は現在 2 回目の反復作業に入っています。

歯車製作もあります。 DMG 森の機器と技術サイクルは、最近まで特殊機器に限定されていたホブ切り加工、スカイビング加工、フライス加工、研削加工をサポートします。 確かに、冷蔵庫のドアの製氷機から家庭用車のトランスミッションに至るまで、あらゆるものに歯車が使われていますが、ホートン氏が指摘したように、エネルギー産業で使用される歯車は、通常、先ほど挙げた汎用部品よりもはるかに大きいため、大規模な部品が必要になります。製造する機械（DMG森製のものなど）。

また、MRO や交換部品の迅速な対応の必要性を考慮して、生産量も少なく、リードタイムも短くなります。

DMG 森と他の大手工作機械メーカー数社が提供する多機能 CNC 装置は、これらすべての要件を満たしています。

「ホブ盤や専用の歯車研削盤から脱却できれば、業界にとっては大きな恩恵だ」とウォレス氏は語った。 「これには理由がいくつかあります。まず、これらのマシンの 1 台では作業が終了すると、そのマシンはアイドル状態になりますが、マルチタスク機を使用すると、出てきたものはほぼすべて作ることができます。第 2 に、納期がかかることです。」歯車カッター、ホブ、スカイブの製作には通常、数週間、場合によっては数か月かかるため、適切な工具が手元にない場合、その歯車を作るのに長い時間がかかることになります。」

Wallace 氏は、多機能 CNC マシンは特定の用途にとって万能の最終ソリューションではないと警告します。 部品数が限られている大量生産の場合、柔軟性に劣るものの、専用の歯車製造装置が最もコスト効率の高いソリューションとなります。 極度の精度と優れた表面仕上げが要求される歯車についても同じことが言えますが、この記述はかつてほど真実ではなくなりました。 「当社は多くのプラットフォームで研削を行っており、太陽工機という研削専門のグループも持っているため、この分野でも頻繁に競争できます。」

ノースカロライナ州メバネにあるサンドビック・コロマント US も同様です。サンドビック・コロマント US は、歯車製造業界の特定のニーズであるスカイビングに対応する、さまざまな高速度鋼、超硬ソリッド、刃先交換式ギアカッターを提供しています。 「5 軸工作機械は、主スピンドルと工具スピンドルを遅延や不一致なく完全に同期させられるほど正確になったため、内外のスプラインや歯車の製造に使用される高度なプロセスであるスキブを実行できるようになりました。 」

サンドビック・コロマントの歯車フライス加工のSAAセールスおよびアプリケーションスペシャリストであるChuck Kirts氏はこう述べています。 同氏は、マシニング センターでのスカイビングやその他の形式の歯車生成は、専用の歯車切断機械を使用して自動車部品の生産を行う顧客に売り込むのが難しいと指摘しています。 しかし、新しい生産ラインを立ち上げたり、古いラインを置き換えたりする自動車顧客やサプライヤーにとって、これらの機械は手頃な価格で信頼性の高いオプションを提供します。フライス加工、穴あけ、旋削と同じ機械でスカイビングを実行できる機能は、大きなプラスとなります。 数量が少ない航空宇宙およびエネルギー市場では、特に先に挙げた強靱な金属の場合、これは明らかな前進です。

「私は最近、南にある会社と協力して、DMG 森の大型機械の 1 台で直径約 10 フィートの部品を製造していました」とカーツ氏は言いました。 「当社の刃先交換式コロミル 180 スカイビングカッターの 1 つを使用して歯車プロファイルを生成しました。これらのカッターには正しい技術サイクルとダイレクトドライブの高精度スピンドルが備わっていたので、非常に成功しました。」

ギア、タービン ハウジング、ステーター リングなど、エネルギー産業とそこで生産される部品には、これらのいくつかの例よりもはるかに多くのものが存在します。 風力タービンを考えてみましょう。 はい、これらは同じコンポーネントの一部を使用しており、他のエネルギー生成装置といくつかの類似点を共有していますが、石炭火力発電所は炭素の塊を燃やして発電し、原子力発電所は注意深く制御された連続的な方法でウラン原子を分解します。爆発が起きても、風力タービン発電所はそよ風を受けて静かに回転するだけです。

ガイ・ドレルはそれについてすべて知っています。 スペインのビスカヤに本拠を置くシーメンス ガメサ リニューアブル エナジー SA のグローバル外部コミュニケーション チームのメンバーである彼は、風力エネルギーの大ファンの 1 人であり、タービンの最も目に見えるコンポーネントであるブレードの背後にある製造プロセスに特に興味を持っています。 「これは世界最大の単一鋳造構造物で、砲身や戦車の車体などよりも大きい。他に匹敵するものはありません。」

洋上風力発電所の前を車で通り過ぎて、そのブレードがどのように作られているのか自問したことがある方は、その答えに驚かれるかもしれません。 ドレル氏の説明によると、ここには巨大な機械もなく、100メートル以上の長さのブレードを上り下りするロボットもなく、熟練した職人のチームが各ブレードを手作業で組み立てているだけだという。 彼らは、グラスファイバーとカーボンファイバーシートの個々のセクションを、それぞれの間に樹脂を入れた型に置き、ローラーで全体を滑らかにし、裏返して残りの半分でも同じプロセスを繰り返します。 完成したら、全体をオーブンに約1週間置きます。 その後、ブレードは研磨され、検査され、塗装され、沖合の作業現場に輸送され、ナセルにボルトで固定されます。 「それはあなたが想像できる最も素晴らしい、信じられないことです。」

なぜシーメンスガメサが航空機業界の足跡をたどってプロセスを自動化しないのかと尋ねられたとき、彼の説明は簡単でした。 「そんなことは不可能だ」と彼は言った。 「ブレードは先細になっており、非常に複雑な翼形をしており、時速 160 マイルの風で飛び散らないように非常に複雑な内部構造を備えています。また、ブレードのバランスを調整し、高調波の影響を抑制するために一緒に機能する他のブレードと組み合わせます。私、機械化する方法を検討してきましたが、今のところその技術は存在しません。」

前述したように、ドレルは職人と会社のすべての活動を誇りに思っています。 同氏によると、10年前、シーメンス・ガメサは発電能力2.3メガワットの洋上風力タービンを設置していたという。 6 世代後、その値は 14 メガワットに上昇しました。これは、巨大なブレードが回転するたびに家庭に電力を供給するのに十分なエネルギーです。 しかし、彼が最も興奮しているのは未来だ。同社は現在、海水から水素を生成する方法を試験中であり、これは環境にとって「完全に無害」なエネルギー源であると同氏は述べた。

その日まで、ドレルは風力エネルギーを称賛し続けました。 化石燃料の場合、エネルギー生産者は井戸が枯渇して新たな供給源を探す必要があるため継続的な再投資が必要ですが、風力は与え続ける贈り物です。

「確かに製造は、水につけるのと同様に少し難しいですが、投資を支払えば、あとはすべてグレービーソースです」とドレル氏は語った。

「日常的に少しメンテナンスをすれば、数十年間は回転し続けます。そして、私たちが開発したいくつかの新技術のおかげで、これまでのようにすべてを埋め立て地に埋めるのではなく、ブレードをリサイクルして材料を再利用できるようになりました」これはまさにグリーン エネルギー源であり、年が経つにつれてさらに改善されていくでしょう。」

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