地热能源行业初创公司：3D打印地热全金属井封隔器

导读：地球的自然资源并非取之不尽，寻找替代资源的步伐也在加快。煤炭、天然气、丙烷和其他碳基解决方案等化石燃料为环境带来了相当大的问题。温室气体和其他与燃烧化石燃料有关的污染物问题无处不在。


△DET 创始人 Tingji “TJ” Tang 博士和 Ken Havlinek 博士。

走向可再生能源
企业和消费者都越来越多地寻求具有价格和可用性都稳定的本土解决方案。对于较大的公司，地热可能是其中的一种解决方案。地热系统被称为“脚下的太阳”，它利用地球的极热驱动涡轮机并产生清洁、可靠的电力。虽然需要非常深入才能到达能提供足够热量来驱动涡轮机的地层，但好处是十分明显的，地热源是一致的，不受政治和经济动荡的影响。

意识到这一点，美国能源部 (DoE) 于 2020 年启动了美国制造地热制造奖，该奖提供超过 460 万美元用于推动对这种可再生资源的研究，重点是增材制造 (AM) 或 3D 打印。2022 年，总部位于休斯顿的 Downhole Emerging Technologies (DET) 凭借开发新型封隔器系统获得了500,000 美元大奖，这是一种调节地热井中热量和蒸汽流动的关键要素，在这个项目中，他们使用了AM技术。

在地球深处生存



在高达 700° F (371° C) 的极端温度（足以熔化某些金属）和高腐蚀性环境之间，人类需要找到合适的材料和零件几何形状来承受这种“变态”的环境。这需要建模、测试和迭代以确定每个部分的功效。DET 的创始人 Ken Havlinek 和 Tingji “TJ” Tang 在石油和天然气行业工作多年。由于这些应用中的井较浅，它们的封隔器通常由橡胶或塑料制成，这些材料会在地球深处的高温下熔化。在本次比赛中，合作伙伴将他们的知识移植到地热能领域，设计了一个解决方案，使用了3D打印技术。

3D打印加速迭代
传统上，零件大多是使用CNC加工或注塑成型制造的，虽然两者都能制造出色的部件，但调整设计以实现预期结果的过程十分复杂，每次迭代都要制作一个新工具（模具），既耗时又昂贵。

经过仔细评估，DET打印了一些零件，包括包装机。3D打印也在时间上具有足够多的优势，能够快速迭代和提供改进零件设计的机会。Havlinek 承认“像我一样，致力于应对这些地热挑战的专家，不一定欣赏或理解增材制造可以带来的价值，但得益于 Protolabs 提供的快速制造设计建议，DET 可以试验多种材料、调整几何形状并在几天内看到结果。“

零件背后的技术
零件需要由金属制成，因为在抵抗过热和具有腐蚀性的地下环境中，没有其他东西可以"生存"。研究人员使用直接金属激光烧结 (DMLS)进行零件的制造，这是一种使用粉末金属作为基础材料逐层构建零件的打印工艺，通过高功率激光将微小的金属粉末颗粒焊接在一起。本质上，激光在粉末床中绘制零件，直到形成所有层并完成零件。

使用 DMLS 的优势之一是零件可以设计成任何复杂的几何形状，而这些几何形状不可能通过更传统的制造工艺（例如铸造、锻造或机加工）制造。此外，这些金属的硬度等于该金属的固体块。由于这些原因，许多公司正在转向 DMLS 来制造复杂的零件。DMLS 还提供范围广泛的金属，包括铝 (AlSi10Mg)、钴铬合金、Inconel 718、两种不锈钢（17-4 PH 和 316L）和钛 (Ti6Al-4V)，每一种都具有不同的强度和对腐蚀剂和热的耐受性。

在实际需求中，DET 的一个零件需要在 GE Additive X Line 2000R 打印机上打印。该套管高 19 英寸（482.6 毫米），宽 4.7 英寸（119.4 毫米），是 Protolabs 打印过的最高金属部件。

封隔器最重要部件之一，大环形必须能够有效成型且一致地变形。这对制造的要求很高，通过 CNC 加工制造具有这些规格的环形会产生大量金属废料，这通常需要更高的成本。在这种情况下，根本不可能用对其性能至关重要的内部特征来加工零件，因此 DET 团队改进了零件，进行了3D打印。增材制造提供了更大的设计自由度，因此团队可以发挥创造力，将结构的特征推向机械加工无法达到的水平。

Havlinek 补充道：“如果没有3D打印，完成工作将很困难，我们希望使用尽可能少的制作步骤来实现封隔器系统运行期间所需的全部功能。多亏了增材制造，我们才能够达到我们的设计目标。”

收拾行装继续前行



在接下来的几个月里，DET 的包装系统将在准备上市前进行测试和改进。虽然美国能源部和快速原型制作开启了这个梦想，但其结果将有助于为能源生产开辟一个更可持续、更安全的未来。同时也给全世界的设计师提供一个新思路——可以在他们的项目中使用3D打印部件。