金属3D打印提供设计自由，地热能应用的持久性
直接金属激光烧结加速了新地热技术工具的开发，并获得国家能源奖
地热产业正变得越来越热。
将地热行业分为新旧两部分。古老的地热已经存在了100多年，它利用的是浅层地下自然产生的蒸汽。高压蒸汽通过涡轮机产生电流。然而，古老的地热不能真正发展，因为大多数浅层地面蒸汽喷口已经被盖住了。
挖得更深，并在地表以下的地方打井，以找到更热、过热的岩石来产生蒸汽——这些岩石可以通过工程地热系统(EGS)来获取——这就是新的地热技术的切入点。
然而，这种新形式的地热在很大程度上还没有被开发。为什么?主要是因为还没有人发明或开发出在这种过热环境下有效工作的设备。挑战不在于深度，而在于温度。
下面到底有多热?这一层岩石的温度约为华氏700度。这就是地热行业喜欢叫它的原因。”太阳在我们脚下”。
挑战:对耐热工具的需求
由于这种重要的新能源基本上未被使用，美国能源部(DOE)最近向石油、天然气和地热行业的工程师和科学家提出了挑战，要求他们解决这些与热有关的问题。
为了刺激这一领域的创新，能源部发起了美国地热制造奖这是一项价值465万美元的比赛。比赛特别关注3D打印(增材制造)，旨在激励创新者解决在恶劣的地热环境中操作敏感设备所面临的挑战。
团队将使用增材制造技术开发、测试和修改原型，以支持地热工具和技术的进步。
Ken Havlinek和Tingji“TJ”Tang是两位设计工程师和产品开发人员，他们是石油和天然气行业的资深人士，成立了这家总部位于休斯顿的初创公司井下新兴技术(DET)大约三年前。最终，他们决定参加。
在众多地热工具和设备中，DET选择了开发封隔器或塞式系统。
一般来说，在石油、天然气和地热行业中，封隔器或塞系统的使用方式与管道工使用塞来调节或阻止水流的方式大致相同。工业应用的封隔器或桥塞可用于各种类型和尺寸的套管和管柱。
随后进行了多次设计和迭代，但需要克服的基本挑战是使用的材料。石油和天然气行业使用的现有封隔器由橡胶或塑料制成。“这是当今橡胶或塑料行业的标准。但这些材料无法在地热温度下生存。”因此，需要一个金属封隔器系统。
更多设计，更多迭代，更多测试。
与此同时，能源部的竞赛在一年半的比赛中包括几个步骤和多个截止日期，不断迅速向终点线迈进。Havlinek和TJ需要一个解决方案——而且要快。
这就是Protolabs的直接金属激光烧结(DMLS)走了进来。
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| 概览 |
新兴的地热能技术需要创新的工具和设备来利用远离地表的过热岩石产生的蒸汽。井下新兴技术正在开发一种封隔器或桥塞设备，可以承受地热环境的极端高温、压力和腐蚀。  解决方案DET需要一种金属制成的工具，在极高的温度下不会融化或腐蚀。DET的设计迭代改变到零件无法加工的地步。我们的DMLS 3D打印工艺可以处理复杂的设计，并快速制造金属组件。美国能源部(Department of Energy)主办的一项全国制造业竞赛需要在一系列最后期限前完成这一速度。
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解决方案:金属3D打印构建DET的组件-快速
“我知道我需要金属，直接金属激光烧结就是答案，”Havlinek说。在互联网上寻找DMLS资源并询问业内其他工程师后，他选择了Protolabs，使用我们的门户网站加载他需要的零部件的CAD模型。
“DFM(可制造性设计)和交互式报价系统非常有用和高效，”Havlinek说。“我加载了我的零件，系统给了我快速的反馈，识别错误，一般来说，在24小时内我就得到了最新设计迭代的报价，这很棒。”
在这一时期，速度尤为重要。“能源部的项目是积极和快速的，所以能够快速获得报价是关键。我没有时间燃烧，”Havlinek说。“增材制造不仅让我可以制造出我需要的东西(因为它是无法加工的东西)，而且获得零件的整体原型速度比机械加工更快。这种快速转变至关重要。”在美国能源部项目的资助下，Diamond ETIP(极端温度隔离封隔器)在不到两年的时间里从概念发展到工作原型。主要目标是开发一种易于部署和回收的封隔器系统。该系统的工作原理有点像手风琴式结构，或一个压碎的汽水罐。封隔器以这种方式的运动是用来在管或套管内密封自身的。
这一任务的完成归结于戒指设计的内部特征。虽然人们认为环的外壁是空心的，但表面下的设计允许封隔器系统以最有效的方式变形。这些特征意味着，在获得相同的变形和性能的同时，压缩和拉伸环所需的力更少。增材制造为团队提供了设计自由，可以发挥创造力，并将结构的特征推到机械加工无法达到的水平。
Havlinek说:“如果没有这些功能，完成作业将需要消耗更多的能量，我们希望尽可能少地消耗能量，以实现封隔器系统运行期间所需的全范围运动。”“所需的力量越小越好。多亏了增材制造，我们才能够达到我们的设计目标。”
DMLS是一种添加剂解决方案，为地热能应用提供了必要的耐用材料。铬镍铁合金718、316L和17-4不锈钢具有足够的硬度、强度和耐腐蚀性。Havlinek呼吁通过数字化制造提供快速转向能力，以满足能源部竞赛的最后期限。
热处理后置于平台上的零件。
从零件上拆卸支撑结构的详细工作。
GE添加剂公司的X Line 2000R打印机可以处理DET所需的大型金属打印作业。该工具套筒的早期DMLS迭代是在铬镍铁合金718最终成为了Protolabs有史以来最高的DMLS 3D打印部件，达到19英寸。(482.6毫米)高，外径超过4.7英寸。(119.4毫米)。每个零件的后处理包括应力消除和一些加工，以螺纹零件的每一端。
在GE Additive M2机器上生产的其他较小部件是膨胀环。一些是单独的，另一些则被堆放在一起，作为一个更小的部分。这些戒指是用316L不锈钢打印的，有些是17-4次迭代。每个部分都是溶液退火，并使用电火花加工(EDM)从3D打印机切断。其中17-4个零件进行了H900表面硬化处理。
总共为DET完成了5个迭代和20个原型。
结果:DOE大赛大奖得主
DET的辛勤工作和快速原型设计得到了回报。该公司是美国能源部制造竞赛的两大大奖得主之一，这意味着50万美元的现金奖励和20万美元的代金券，可用于ETIP工具的未来迭代和开发。
随着DET将该工具推向市场，未来的开发将包括进一步的构建、测试和使用Protolabs进行迭代。“现在在创新和市场之间有很多工作要做，”Havlinek说。“能源部及其刺激创新的工作帮助我们起步，现在我们正在努力让我们的发明足够先进，以便找到一家公司开始使用它。”
至于时间表，Havlinek表示，DET的目标是让他们的工具完全开发出来，并准备在2023年底前投放市场。
井下新兴技术公司创始人Tingji“TJ”Tang(左)和Ken Havinek(右)与他们的ETIP工具。