Большие части, большие энергетические цели

Аддитивное производство (АП) предлагает новые подходы, которые могут дать толчок развитию сектора чистой энергетики Америки, который должен стимулировать производство очень крупных компонентов для ветрового, атомного и гидроэнергетического оборудования.

Агрессивные цели в области возобновляемых источников энергии расширяют рынки экологически чистой энергии, но в настоящее время спрос превышает внутренние производственные возможности.

Устранение этих пробелов приобретает новую актуальность, поскольку Соединенные Штаты стремятся к 2050 году удовлетворить 35% своих потребностей в электроэнергии за счет энергии ветра, что в три с половиной раза больше, чем ветер дает сегодня.

Решение этой сложной задачи в цепочке поставок требует возможностей, которых в настоящее время не существует, а методы AM – чаще всего рассматриваемые для небольших и сложных деталей – могут стать ключом к раскрытию производственного потенциала США для этих массивных металлических компонентов. Чтобы сделать это реальностью для ветряных турбин, необходимы дальнейшие шаги по увеличению скорости осаждения металлов из AM и снижению стоимости печатных материалов.

Отливки промышленного масштаба, такие как стальные отливки весом более 10 тонн, являются препятствием для расширения производства деталей ветряных турбин, включая ступицы роторов, опорные плиты и опорные рамы. Масштаб огромен и растет как по размеру, так и по весу, поскольку отрасль продолжает расширяться за счет морских ветряных турбин.

Затраты на рабочую силу, связанные с литьем крупных металлических компонентов в песчаные формы, побудили американских производителей начать закупать их у иностранных поставщиков много лет назад.

Только один американский литейный завод по-прежнему способен обрабатывать более крупные детали, необходимые для морской ветроэнергетики, а возможности США по обработке их до окончательной формы ограничены. В настоящее время срок поставки критически важных крупных металлических компонентов составляет от шести месяцев до более года. Их доставка из-за границы создает большой углеродный след, помимо того, что она дорогая и медленная. Зависимость от иностранных компонентов также создает потенциальную возможность возникновения единой точки отказа в американской цепочке поставок ветровой энергии.

Альтернативой является аддитивное производство этих крупных деталей, а затем их обработка с использованием автоматизированных станков под управлением компьютеризированного производственного программного обеспечения. Преимущества очевидны: AM предлагает большую гибкость и сложность конструкции, чем традиционное литье, а стратегии оптимизации топологии, реализованные с помощью 3D-печати, могут обеспечить значительное снижение веса.

Многоосные принтеры могут вращать деталь для печати разных частей и достижения разных углов, избегая проблем с гравитационными искажениями, которые в прошлом имели ограниченные конструкции. За счет сочетания многоосной печати вне плоскости с несколькими роботизированными осаждающими головками диапазон изготавливаемых геометрических форм значительно расширяется.

В отличие от обычного литья, этот тип 3D-печати позволяет создавать сложные внутренние элементы, такие как решетчатые конструкции, интегрированные гидравлические линии и пути для электрических проводов. Это также сокращает время печати за счет разделения производства между несколькими системами, одновременно работающими над одним и тем же объектом.

Система AM под названием MedUSA на производственном демонстрационном комплексе Министерства энергетики (MDF) в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) использует трех роботов, каждый из которых имеет шесть степеней свободы передвижения.

MedUSA может печатать более 54 фунтов металла в час или печатать разными материалами одновременно. Детали, которые он производит, требуют минимального специального инструмента по сравнению с деталями, производимыми традиционным способом, хотя финишная обработка обычно все же необходима.

Вскоре будет установлен большой станок, который будет работать в тандеме с MedUSA и обрабатывать напечатанные детали в соответствии с точными допусками конструкции. Очень немногие предприятия в мире могут предложить такое сочетание возможностей для крупных компонентов. Поскольку большая часть процесса автоматизирована, затраты на рабочую силу намного меньше, чем при традиционном литье.

«Наше исследование направлено на то, как объединить аддитивное производство с этапом отделки металла, чтобы они работали вместе эффективно», — сказал исследователь ORNL Джошуа Воган. «Как вы печатаете детали, чтобы их можно было легко подготовить для конечного применения, и какие преимущества это дает?»