3D プリントが再生可能エネルギーの可能性を広げる

地球の天然資源は無限ではなく、それに代わる資源の探索が急速に進んでいます。 石炭、天然ガス、プロパン、その他の炭素ベースのソリューションなどの化石燃料には、価格と入手可能性の両方の変動性を含む、かなりの課題が伴います。 歴史的に、ウクライナ侵攻を含むいわゆるブラックスワン現象は、産業界や消費者が依存する製品に大きな価格変動を引き起こしてきました。 さらに、化石燃料の燃焼に関連した温室効果ガスやその他の汚染物質の問題が遍在しています。

企業も消費者も、安定した価格設定と可用性を提供する自社開発のソリューションをますます求めています。 大企業、特に公益事業にとって、地熱はその解決策の 1 つとなる可能性があります。 「足元の太陽」と呼ばれる地熱システムは、地球の極度の熱を利用してタービンを回し、クリーンで信頼性の高い電力を生成します。 タービンを回すのに十分な熱を提供する地層に到達するには、かなり深くまで進む必要がありますが、利点は明らかです。地熱源は安定しており、政治的および経済的混乱の影響を受けません。

これを認識し、エネルギー省 (DoE) は 2020 年に米国製地熱製造賞を創設しました。この賞は、積層造形 (AM) または 3D プリンティングに焦点を当てた、この再生可能資源の研究を促進するために 460 万ドル以上を提供します。フィールドを前に移動します。 2022年、ヒューストンに本拠を置くDownhole Emerging Technologies（DET）は、地熱井内の熱と蒸気の流れを制御する重要な要素である新しい形式のパッカーシステムの開発で、50万ドルの大賞2件のうちの1件を獲得した。 AM なしではこの成果は達成できなかったでしょう。

覚えておくべきことの一つは、この深海では地球は決して親切とは言えないということです。 一部の金属を溶かすのに十分な 700°F (371°C) もの高温と非常に腐食性の高い環境の間では、そのような酷使に耐えられる適切な材料と部品の形状を見つける必要があります。 これには、各部分の有効性を判断するためにモデリング、テスト、反復が必要になります。

DET の創設者である Ken Havlinek 氏と Tingji "TJ" Tang 氏は、石油・ガス業界で長年働いていました。 これらの用途の井戸は浅いため、パッカーは通常、地球深部の熱で溶けてしまうゴムやプラスチックで作られています。 このコンペティションに向けて、パートナーはその知識を地熱エネルギーの分野に移植し、洗練されたソリューションと 3D プリンティングの新たな課題を設計しました。

以前は、これらの部品の一部は CNC 機械加工または射出成形を使用して製造されていた可能性があります。 どちらも優れた部品を作成しますが、望ましい結果を達成するために設計を調整するプロセスはより複雑です。 成形では、反復ごとに新しいツール (金型) を作成する必要があり、時間とコストがかかります。

慎重に評価した結果、DET はパッカーを含む一部の部品を印刷できる可能性があると考えました。 時間が限られていたので、印刷することも意味がありました。 締め切りが迫っていたため、3D プリントは部品設計を迅速に反復して改善する機会を提供してくれました。 石油・ガス業界のベテランであるハブリネク氏は、当初はパッカーやその他の部品を製造することは AM の考えではなかったが、DOT 賞を受賞したことで自分のアイデアを新しい見方で見ることができたと認めました。

「私と同様に、これらの地熱問題に取り組んでいる専門家は、積層造形がもたらす価値を必ずしも高く評価したり理解しているわけではありません」とハブリネック氏は認めた。 Protolabs からの迅速な製造設計のアドバイスのおかげで、DET は複数の材料を試し、形状を調整し、数日以内に結果を確認することができました。

部品が金属製であることは当然でした。 過熱した腐食性の地下環境では、他に何も生き残ることはできません。 これは、直接金属レーザー焼結 (DMLS) を使用することを意味します。これは、粉末金属をベース材料として使用して部品を層ごとに構築し、高出力レーザーによって金属粉末の小さな粒子を溶接する印刷プロセスです。 基本的に、すべての層が形成されて部品が完成するまで、レーザーは粉末床で部品を描画します。

DMLS を使用する利点の 1 つは、鋳造、鍛造、機械加工などの従来の製造プロセスでは製造できない複雑な形状を部品に含めることができることです。 また、金属はその金属の固体ブロックとほぼ同等の硬度を持っています。 これらの理由から、多くの企業が複雑な部品の製造に DMLS に注目しています。

DMLS では、アルミニウム (AlSi10Mg)、コバルト クロム、インコネル 718、2 種類のステンレス鋼 (17-4 PH および 316L)、チタン (Ti6Al-4V) など、幅広い金属も提供しています。 それぞれの強度と腐食性や熱に対する耐性が異なります。

実際、DET の部品の 1 つは GE Additive X Line 2000R プリンタで印刷する必要がありました。 高さはなんと 19 インチ (482.6 mm)、幅は 4.7 インチ (119.4 mm) もあるそのスリーブは、プロトラブ社でこれまでに印刷された中で最も高い金属部品であることが判明しました。

パッカーの最も重要な部分の 1 つである大きなリング形状にある特殊な機能は、圧縮または伸長に必要な力が少なくて済むように、効率的かつ一貫して変形する機能を備えている必要がありました。 これはパッカーの成功にとって不可欠でした。 CNC 機械加工でこれらの仕様のリングを作成すると、大量の金属廃棄物が発生し、多くの場合コストが高くなります。

ただし、この場合、性能にとって重要な内部機能を備えた部品を機械加工することはまったく不可能だったので、DET チームは 3D プリント用に部品を改良しました。 AM により設計の自由度が向上したため、チームは創造性を発揮して、機械加工で達成できる以上の構造の特徴を押し上げることができました。 さらに、無駄はほとんど排除されました。

「これらの機能がなければ、作業を完了するのにさらに多くのエネルギーが必要だったでしょう。そして私たちは、パッカーシステムの動作中に必要な全範囲の動作を達成するために、エネルギーの使用をできるだけ少なくしたかったのです」とハブリネック氏は付け加えた。 「必要な力は小さければ小さいほど良いのです。積層造形のおかげで、設計目標を達成することができました。」

今後数カ月かけて、DET のパッカー システムは市場投入の準備が整う前にテストと改良が行われます。 DoE とラピッドプロトタイピングがこの夢をスタートさせましたが、その結果は、エネルギー生産のより持続可能で安全な未来を開くのに役立ちます。 この経験は、他の企業のデザイナー/エンジニアの目を開いて、プロジェクトで 3D プリント部品を検討する可能性もあります。

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