Protolabs 3D打印大型金属封隔器，可应用于地热能源领域

在2022年8月份，美国能源部（DOE）发布了美国本土地热制造奖（American-Made GeothermalManufacturing Award）一等奖获得者的名单，其中之一就是Downhole EmergingTechnologies（DET）公司。这家位于休斯敦的初创公美司因其开发的用于提取地热能源的全金属系统而获得了50万美元的现金奖励（以及高达20万元的额外资金）。

△图片来源：维基百科

DET创造的部件是石油和天然气钻探中使用的金属封隔器，由位于明尼苏达州的先进加工和增材制造（AM）服务提供商Protolabs打印。在Protolabs团队公布的案例研究中，概述了他们为DET增材制造金属封隔器所做的工作。除了强调增材制造在地热能源领域可以发挥的作用之外，该案例研究还有助于说明增材制造在可再生能源领域的潜力。

△图片来源：Protolabs

据Protolabs称，在多次尝试设计该零件以便用传统机械加工生产后，DET最终确定的迭代方案只能用增材制造。Protolabs在GE Additive X生产线打印机上打印了用于评奖的最终部件，称为钻石极端温度隔离封隔器（E-TIP），采用Inconel 718，这是一个直接金属激光烧结（DMLS）平台。

在石油和天然气等地热能源的钻探中，封隔器是必要的部件，因为它可以为灌入钻井的水泥创造一个基础。当前，行业内有许多不同的地热能提取方法，但所有用于发电厂的增强型地热系统（EGS）概念都涉及深井钻探，目的是将自然产生的热水或蒸汽引到地面的发电厂。然后，提取的液体或蒸汽被用作直接加热源，或用于加热另一种燃料源，如异丁烷。

△图片来源：DET

尽管商业上可用的石油和天然气的封隔器通常由橡胶或塑料制成，但这些材料通常不适合与地热能源相关的高温。而且，考虑到为金属封隔器开发新设计的挑战，DET的团队选择了增材制造技术--就像通常有关重工业终端产品的应用一样--因为他们首选设计的最终版本具有独特的形状。DET的首席执行官Ken Havlinek在接受Protolabs的内容团队采访时解释了这一点。

Havlinek非常简洁地总结了DET转向增材制造技术的理由："为什么我们不选择其他加工方法制造封隔器呢？除了因为封隔器是空心的，还有一些额外的因素表明它更适合于3D打印。具体来说，我们设计它的目的是要用更少的力量来压缩它和拉伸它，并获得完全相同的变形和性能。我们希望使用尽可能少的能量来设置这个东西，然后让这个东西脱离或缩回。完成这些操作所需的力越小越好。因此3D打印使我们能够减少所需的力量。“

△图片来源：DET

Havlinek还提到，DET最初并不只是开发一个独特的封隔器系统，而是要开发一个全新的设置系统（用于放置封隔器，并对其施加压力）。特别是在能源部竞赛所要求的时间范围内，只有通过增材制造技术才能实现复杂的设计，这使得DET和Protolabs能够执行一个封隔器的概念，在利用商业设置系统的同时完成工作。

△图片来源：DET

最新一代的地热能源系统恰好是在一个最佳的时间出现的，相对于一般的先进制造技术，特别是增材制造支持的供应链的预期规模。这本身就说明了DET和Protolabs所展示的课程的相关性，即可再生能源领域的公司通过将增材制造纳入其供应链可以实现的优势。最简单地说，可再生能源公司可以利用目前商业上最好的东西，同时也可以在新的挑战出现时创造自己的新的解决方案。可再生能源供应商处于一个理想的位置，能够从现有的供应链中获益，同时又相对不受它们的约束。

因此，不仅仅是这两个行业扩大规模的偶然的共同时机，使增材制造成为可再生能源公司的合理选择。从长远来看，全球经济越是转向利用可再生能源，就越是明显，一刀切的解决方案不会像传统的化石燃料供应链那样适用于可再生能源。由于可再生能源在本质上必须与周围的生态环境合作，而不是对抗，可再生能源公司将不可避免地面临越来越多的情况，需要为特定用途设计硬件。正如DET和Protolabs提供的案例研究所示，增材制造将是确保这种努力取得成功的一个不可或缺的工具。