地球的自然資源并非取之不盡，尋找替代資源的步伐也在加快。煤炭、天然氣、丙烷和其他碳基解決方案等化石燃料帶來了相當大的包袱，包括價格和可用性的波動。從歷史上看，所謂的黑天鵝事件，包括烏俄羅沖突，已經(jīng)導致行業(yè)和消費者所依賴的產(chǎn)品價格大幅波動。此外，溫室氣體和其他與燃燒化石燃料有關的污染物問題無處不在。

DET創(chuàng)始人Dr. Tingji“TJ”Tang和Ken Havlinek

走向可再生能源

企業(yè)和消費者都越來越多地尋求能夠提供穩(wěn)定的定價和可用性的本土解決方案。對于較大的公司——尤其是公用事業(yè)公司——地熱可能是其中的一種解決方案。地熱系統(tǒng)被稱為“我們腳下的太陽”，它利用地球的極熱來驅(qū)動渦輪機并產(chǎn)生清潔、可靠的電力。雖然你需要深入——非常深入——才能到達能提供足夠熱量來驅(qū)動渦輪機的地層，但好處是顯而易見的：地熱源是一致的，不受政治和經(jīng)濟動蕩的影響。

意識到這一點，美國能源部 (DoE) 于2020年宣布投入465萬美元啟動了“美國制造挑戰(zhàn):地熱獎”，旨在鼓勵地熱技術(shù)組件制造商和地熱產(chǎn)業(yè)利益相關者之間的合作。2022年，總部位于休斯頓的Downhole Emerging Technologies (DET) 憑借開發(fā)新型封隔器系統(tǒng)獲得了兩項500,000美元大獎中的一項，這是一種調(diào)節(jié)地熱井中熱量和蒸汽流動的關鍵要素。如果沒有3D打印，就不可能取得這樣的成就。

在地球深處生存

在高達 700° F (371° C) 的極端溫度（足以熔化某些金屬）和高腐蝕性環(huán)境之間，您需要找到合適的材料和零件幾何形狀來承受這種挑戰(zhàn)。這需要建模、測試和迭代以確定零件每個部分的功效。

DET的創(chuàng)始人 en Havlinek和Tingji“TJ”Tang在石油和天然氣行業(yè)工作多年。由于這些應用中的井較淺，它們的封隔器通常由橡膠或塑料制成——這些材料會在地球深處的高溫下熔化。在本次比賽中，合作伙伴將他們的知識移植到地熱能領域，設計了一個最佳的解決方案，并為3D打印帶來了新的挑戰(zhàn)。

3D打印加速迭代

過去，其中一些零件可能是使用CNC加工或注塑成型制造的。雖然兩者都能制造出出色的部件，但調(diào)整設計以實現(xiàn)預期結(jié)果的過程更為復雜。使用注塑成型，需要為每次迭代制作一個新模具，這既耗時又昂貴。

經(jīng)過仔細評估，DET認為有可能打印他們的一些零件，包括包裝機。打印也很有意義，因為時間緊迫。最后期限迫在眉睫，3D打印提供了快速迭代和改進零件設計的機會。作為石油和天然氣行業(yè)的資深人士，Havlinek承認最初并沒有考慮增材制造來制造封隔器和其他一些部件，但DOT獎幫助他以新的方式看待3D打印。

“像我一樣，致力于應對這些地熱挑戰(zhàn)的專家不一定欣賞或理解增材制造可以帶來的價值，”Havlinek承認。得益于Protolabs提供的快速制造設計建議，DET可以試驗多種材料、調(diào)整幾何形狀并在幾天內(nèi)看到結(jié)果。

零件背后的技術(shù)

零件必須由金屬制成，這是理所當然的。在過熱、腐蝕性的地下環(huán)境中，沒有其他東西可以生存。這意味著使用直接金屬激光燒結(jié) (DMLS)，這是一種使用粉末金屬作為基礎材料逐層構(gòu)建零件的打印工藝，通過高功率激光將微小的金屬粉末顆粒焊接在一起。本質(zhì)上，激光在粉末床中繪制零件，直到形成所有層并完成零件。

使用DMLS的優(yōu)勢之一是零件可以包含復雜的幾何形狀，而這些幾何形狀不可能通過更傳統(tǒng)的制造工藝（例如鑄造、鍛造或機加工）制造。此外，這些金屬的硬度幾乎等于該金屬的固體塊。由于這些原因，許多公司正在轉(zhuǎn)向DMLS來制造復雜的零件。

DMLS還提供范圍廣泛的金屬，包括鋁 (AlSi10Mg)、鈷鉻合金、Inconel 718、兩種不銹鋼（17-4 PH 和 316L）和鈦 (Ti6Al-4V)。每一種都具有不同的強度和對腐蝕劑和熱的耐受性。

事實上，DET的一個零件需要在GE Additive X Line 2000R打印機上打印。該套管高482.6 毫米，寬119.4 毫米，這也是Protolabs打印過的最高金屬部件。

封隔器最重要部件之一（大環(huán)形）上的特殊特征必須能夠有效且一致地變形，以一種需要更小的力來壓縮或拉伸的方式，這對包裝工的成功至關重要。通過 CNC加工制造具有這些規(guī)格的戒指會產(chǎn)生大量金屬廢料，這通常會轉(zhuǎn)化為更高的成本。

然而，在這種情況下，根本不可能用對其性能至關重要的內(nèi)部特征來加工零件，因此DET團隊改進了零件以進行3D打印。增材制造提供了更大的設計自由度，因此團隊可以發(fā)揮創(chuàng)造力，將結(jié)構(gòu)的特征推向機械加工無法達到的水平。另外，幾乎消除了浪費。

“如果沒有這些功能，完成工作將需要更多的能量，我們希望使用盡可能少的能量來實現(xiàn)封隔器系統(tǒng)運行期間所需的全部運動范圍，”Havlinek 補充道?！八璧牧α吭叫≡胶谩６嗵澚嗽霾闹圃?，我們才能夠達到我們的設計目標?！?br />
收拾行裝繼續(xù)前行

在接下來的幾個月里，DET的包裝系統(tǒng)將在準備上市前進行測試和改進。雖然美國能源部和快速原型制作開啟了這個夢想，但其結(jié)果將有助于為能源生產(chǎn)開辟一個更可持續(xù)、更安全的未來。這種經(jīng)歷也可能會打開其他公司的設計師/工程師的眼界，讓他們考慮在他們的項目中使用3D打印部件。

地球的自然資源并非取之不盡，尋找替代資源的步伐也在加快。煤炭、天然氣、丙烷和其他碳基解決方案等化石燃料帶來了相當大的包袱，包括價格和可用性的波動。從歷史上看，所謂的黑天鵝事件，包括烏俄羅沖突，已經(jīng)導致行業(yè)和消費者所依賴的產(chǎn)品價格大幅波動。此外，溫室氣體和其他與燃燒化石燃料有關的污染物問題無處不在。

DET創(chuàng)始人Dr. Tingji“TJ”Tang和Ken Havlinek

走向可再生能源

企業(yè)和消費者都越來越多地尋求能夠提供穩(wěn)定的定價和可用性的本土解決方案。對于較大的公司——尤其是公用事業(yè)公司——地熱可能是其中的一種解決方案。地熱系統(tǒng)被稱為“我們腳下的太陽”，它利用地球的極熱來驅(qū)動渦輪機并產(chǎn)生清潔、可靠的電力。雖然你需要深入——非常深入——才能到達能提供足夠熱量來驅(qū)動渦輪機的地層，但好處是顯而易見的：地熱源是一致的，不受政治和經(jīng)濟動蕩的影響。

意識到這一點，美國能源部 (DoE) 于2020年宣布投入465萬美元啟動了“美國制造挑戰(zhàn):地熱獎”，旨在鼓勵地熱技術(shù)組件制造商和地熱產(chǎn)業(yè)利益相關者之間的合作。2022年，總部位于休斯頓的Downhole Emerging Technologies (DET) 憑借開發(fā)新型封隔器系統(tǒng)獲得了兩項500,000美元大獎中的一項，這是一種調(diào)節(jié)地熱井中熱量和蒸汽流動的關鍵要素。如果沒有3D打印，就不可能取得這樣的成就。

在地球深處生存

在高達 700° F (371° C) 的極端溫度（足以熔化某些金屬）和高腐蝕性環(huán)境之間，您需要找到合適的材料和零件幾何形狀來承受這種挑戰(zhàn)。這需要建模、測試和迭代以確定零件每個部分的功效。

DET的創(chuàng)始人 en Havlinek和Tingji“TJ”Tang在石油和天然氣行業(yè)工作多年。由于這些應用中的井較淺，它們的封隔器通常由橡膠或塑料制成——這些材料會在地球深處的高溫下熔化。在本次比賽中，合作伙伴將他們的知識移植到地熱能領域，設計了一個最佳的解決方案，并為3D打印帶來了新的挑戰(zhàn)。

3D打印加速迭代

過去，其中一些零件可能是使用CNC加工或注塑成型制造的。雖然兩者都能制造出出色的部件，但調(diào)整設計以實現(xiàn)預期結(jié)果的過程更為復雜。使用注塑成型，需要為每次迭代制作一個新模具，這既耗時又昂貴。

經(jīng)過仔細評估，DET認為有可能打印他們的一些零件，包括包裝機。打印也很有意義，因為時間緊迫。最后期限迫在眉睫，3D打印提供了快速迭代和改進零件設計的機會。作為石油和天然氣行業(yè)的資深人士，Havlinek承認最初并沒有考慮增材制造來制造封隔器和其他一些部件，但DOT獎幫助他以新的方式看待3D打印。

“像我一樣，致力于應對這些地熱挑戰(zhàn)的專家不一定欣賞或理解增材制造可以帶來的價值，”Havlinek承認。得益于Protolabs提供的快速制造設計建議，DET可以試驗多種材料、調(diào)整幾何形狀并在幾天內(nèi)看到結(jié)果。

零件背后的技術(shù)

零件必須由金屬制成，這是理所當然的。在過熱、腐蝕性的地下環(huán)境中，沒有其他東西可以生存。這意味著使用直接金屬激光燒結(jié) (DMLS)，這是一種使用粉末金屬作為基礎材料逐層構(gòu)建零件的打印工藝，通過高功率激光將微小的金屬粉末顆粒焊接在一起。本質(zhì)上，激光在粉末床中繪制零件，直到形成所有層并完成零件。

使用DMLS的優(yōu)勢之一是零件可以包含復雜的幾何形狀，而這些幾何形狀不可能通過更傳統(tǒng)的制造工藝（例如鑄造、鍛造或機加工）制造。此外，這些金屬的硬度幾乎等于該金屬的固體塊。由于這些原因，許多公司正在轉(zhuǎn)向DMLS來制造復雜的零件。

DMLS還提供范圍廣泛的金屬，包括鋁 (AlSi10Mg)、鈷鉻合金、Inconel 718、兩種不銹鋼（17-4 PH 和 316L）和鈦 (Ti6Al-4V)。每一種都具有不同的強度和對腐蝕劑和熱的耐受性。

事實上，DET的一個零件需要在GE Additive X Line 2000R打印機上打印。該套管高482.6 毫米，寬119.4 毫米，這也是Protolabs打印過的最高金屬部件。

封隔器最重要部件之一（大環(huán)形）上的特殊特征必須能夠有效且一致地變形，以一種需要更小的力來壓縮或拉伸的方式，這對包裝工的成功至關重要。通過 CNC加工制造具有這些規(guī)格的戒指會產(chǎn)生大量金屬廢料，這通常會轉(zhuǎn)化為更高的成本。

然而，在這種情況下，根本不可能用對其性能至關重要的內(nèi)部特征來加工零件，因此DET團隊改進了零件以進行3D打印。增材制造提供了更大的設計自由度，因此團隊可以發(fā)揮創(chuàng)造力，將結(jié)構(gòu)的特征推向機械加工無法達到的水平。另外，幾乎消除了浪費。

“如果沒有這些功能，完成工作將需要更多的能量，我們希望使用盡可能少的能量來實現(xiàn)封隔器系統(tǒng)運行期間所需的全部運動范圍，”Havlinek 補充道?！八璧牧α吭叫≡胶谩６嗵澚嗽霾闹圃?，我們才能夠達到我們的設計目標?！?br />
收拾行裝繼續(xù)前行

在接下來的幾個月里，DET的包裝系統(tǒng)將在準備上市前進行測試和改進。雖然美國能源部和快速原型制作開啟了這個夢想，但其結(jié)果將有助于為能源生產(chǎn)開辟一個更可持續(xù)、更安全的未來。這種經(jīng)歷也可能會打開其他公司的設計師/工程師的眼界，讓他們考慮在他們的項目中使用3D打印部件。