Hogyan segíthet a fém 3D nyomtatás az energiaiparnak csökkenteni szénlábnyomát?

1. Az anyagfelhasználás elmozdulása: a "kivonó gyártásról" az "-igény szerinti növekedésre"
Az öntés, kovácsolás és megmunkálás a fémmegmunkálás hagyományos módjai közé tartozik, de általában csak az anyag 30%-át használják fel. Például a hagyományos kovácsolási műveleteknél a 3 méter széles acélöntvényeket 1,5 méter széles orsókká kell alakítani. A fém körülbelül 70%-a törmelékké aprodik a folyamat során.Fém 3D nyomtatásaz anyag több mint 90%-át használhatja fel a rétegek egymásra helyezésével. A Platinum Technology rakétahajtóművek tolókamráit gyárt kereskedelmi repülőgépipari vállalatok számára. Az anyagfelhasználás aránya a hagyományos technikák 15%-áról 92%-ra nőtt a 3D nyomtatás után. Az egyes részek tömegét 60%-kal csökkentették, ami azt jelenti, hogy a rakétaindítási fázis szén-dioxid-kibocsátása alacsonyabb.
A 3D nyomtatás „digitális forma” eleme az, ami hatékonyabbá teszi az anyagot. A hagyományos gyártás során a formákat idő előtt kell elkészíteni, ami költségessé teszi a tervek módosítását. A 3D nyomtatásban a digitális modellek közvetlenül irányítják a termelést, ami megkönnyíti a topológiaoptimalizálás tervezésének gyors beépítését. Az európai versenycsapatok SLM (Selective Laser Melting) technológiát használnak a motor hengerfejének elkészítéséhez, amely 66%-kal csökkenti a tömeget, 65%-kal a térfogatot és 40%-kal csökkenti a felületi hőelvezetési területet. Azonnal 12%-kal javítja az üzemanyag-hatékonyságot, miközben megőrzi eredeti erejét. A tervezési szabadság ezen szintje lehetővé teszi, hogy az energetikai berendezések túllépjenek a hagyományos szerkezetek mechanikai határain, lehetővé téve a „funkcionalitásra való tervezést” a „gyártáshoz való tervezés” helyett.
2. Alacsony-szén-dioxid-kibocsátású energiatermelés újjáépítése: átállás a központosított gyártásról az elosztott gyártásra
Az energetikai berendezések gyártásának hagyományos módja nagymértékben támaszkodik a globális ellátási láncra. A logisztikai kapcsolat a nyersanyagok beszerzésétől a folyamat végén azok összeállításáig a teljes életciklus szén-dioxid-kibocsátásának több mint 30%-át teszi ki. A fém 3D nyomtatás azon képessége, hogy helyben készítsen dolgokat, megoldja ezt a problémát. Például tipikus központosított gyártás esetén az alkatrészeket Kínából kell szállítani a világ különböző régióiba. A 3D nyomtatási technológiával azonban minden telepítési pont azonnal elvégezhető. A Bering 3D napelemes konzolt készített Afrika távoli helyeire, amelyet a helyszínen, időjárásálló acélporral nyomtatnak ki. Ez azt jelenti, hogy nem kell külföldre szállítani vagy tárolni, és 45%-kal csökkenti egyetlen rendszer szénlábnyomát.
A 3D nyomtatás előnyei az elosztott gyártásban nagyobbak az atomenergia-üzletágban. A hagyományos atomerőművi gőzfejlesztők összeállításához több tízezer csőszerelvényt kell áthelyezni az atomerőmű telephelyére. A Platinum Technology BLT-S1500 multi-lézeres berendezése azonban képes ugyanezt megtenni egyetlen 1,5 tonnás súllyal, ami lerövidíti a távolságot a kontinens -közi és az üzemi terület között. Ez a "gyártási és telepítési" módszertan 70%-kal csökkentette egy adott CGN atomerőmű telepítéséhez szükséges időt, 90%-kal csökkentette a hegesztési munkálatok mennyiségét a helyszínen, és 23 000 tonnával csökkentette a szén-dioxid-kibocsátást az építkezés során.
3. A tiszta energiájú berendezések teljesítményugrása: a szerkezetek optimalizálásától a funkciók integrálásáig
Az energetikai berendezések fejlesztése a fém 3D nyomtatásnak köszönhetően a „nagy teljesítményű alacsony energiafogyasztás” felé halad. A szélenergia területén a 3D nyomtatás megkerülte azokat a problémákat, amelyeket a hagyományos öntési módszerek okoznak a pengenyíró hálózati architektúrákkal kapcsolatban. Az adhesive jet bonding (BJT) technológiát alkalmazó Vestas 100 méteres szinten lévő szélturbina lapátgyökér csatlakozói megkönnyítik a szerkezet összeszerelését. Korábban 127 alkatrész kellett egy darab elkészítéséhez. Ez 18%-kal csökkenti a pengék kezdőnyomatékát, miközben megóvja őket a fáradástól. Emellett 3,2%-kal növeli az évente megtermelt áram mennyiségét.
A 3D nyomtatás azon képessége, hogy több alkatrészt egyetlen darabba egyesít, szintén hasznos a hidrogénnel működő-berendezések készítéséhez. A hagyományos bélyegzési eljárásra van szükség ahhoz, hogy több mint 200 független áramlási csatorna öntőformát készítsenek a Toyota Mirai üzemanyagcella-köteg bipoláris lemezéhez. A 3D nyomtatás azonban közvetlenül képes integrált bipoláris lemezt készíteni kígyózó áramlási csatornákkal, lyukakkal a hőmérséklet-érzékelők számára és lyukak a hidrogén diffúzióhoz. Ez 25%-kal növeli a verem teljesítménysűrűségét és 15%-kal a hidrogén felhasználási arányt. Ez a funkcionális integráció nemcsak kevesebb anyagot használ fel, hanem csökkenti a rendszer működéséhez felhasznált energia mennyiségét is azáltal, hogy optimalizálja az energia útját.
4. Szén-dioxid leválasztása és felhasználása: az ötlettől a mérnöki gyakorlatig
A 3D nyomtatás megoldja a szén-dioxid-leválasztás technikai problémáját, amely lehetetlenné teszi a hagyományos módszerekkel bonyolult belső szerkezetek készítését. A Direct Air Capture (DAC) rendszerhez több tízezer mikron{2}}méretű lyukú szűrőkre van szükség, és a tipikus feldolgozási módszerek a munka kevesebb mint 30%-át teszik ki. A 3D nyomtatás azonban képes ± 5 μm-en belül tartani a pórusméret-hibákat. A 3D Systems által az AirCapture számára készített szénleválasztó reaktor hőcserélő területe háromszorosa a topológia optimalizálása miatt. Ez azt jelenti, hogy térfogategységenként 40%-kal több szenet képes összegyűjteni. Ezzel párhuzamosan a berendezések tömege 12 tonnáról 3,8 tonnára csökkent. Ez azt jelenti, hogy a szállítás és a telepítés során sokkal alacsonyabb a szén-dioxid-kibocsátás.
Még érdekesebb, hogy a 3D nyomtatás szélesebb körben elérhetővé teszi a szén-dioxid-hasznosítási technológiákat. A Norwegian Carbon Clean 3D nyomtatással készült moduláris szénkonverziós reaktort használ, hogy a CO ₂ metanollá alakítását 85%-kal hatékonyabbá tegye, ami 22 százalékponttal hatékonyabb, mint a meglévő módszerek. A reaktoron belüli turbulenciastruktúrák 3D nyomtatással történő pontos kezelése az, ami lehetővé teszi a hatékonyság növelését. 60%-kal növeli a gáz és a folyadék érintkezési területét, és háromszorosára növeli a reakciósebességet.
5. Az ipari ökológia zöld átalakulása: átállás a lineáris gazdaságból a körkörös gazdaságba
A fém 3D nyomtatás zárt-hurkú funkciói megváltoztatják az energiaipari láncot. A Platinum Technology porcirkulációs módszere 99,2%-ra növelheti a nyomtatás során kifröccsenő fémek visszanyerési arányát. Argongáz-visszanyerő berendezéssel együtt használva évi 187 tonnával képes csökkenteni a szén-dioxid-kibocsátást egyetlen egység esetében. A Chuangcai Advanced Study mesterséges intelligencia-algoritmusokat használt a regenerált titánötvözet por létrehozásához. Ennek a pornak a mechanikai tulajdonságai az eredeti por 98%-át teszik ki, és 40%-kal olcsóbb az előállítása. A State Power Investment Corporation energiatároló akkumulátorok héjának elkészítéséhez használta fel.
Ez a körforgásos gazdaság megközelítés más területekre is terjed. A Siemens Energy üzemet épít a szaúd-arábiai NEOM New Cityben zöld hidrogén előállítására. Valamennyi 3D nyomtatógépe moduláris felépítésű, ami azt jelenti, hogy szétszedhetők szabványos alkatrészekre, és új gépekbe nyomtathatók, miután már nincs rájuk szükség. Ez azt jelenti, hogy az erőforrások 95%-át a gép teljes életciklusa során felhasználják. A „gyártási felhasználás regenerálásának” ez a zárt köre azt mutatja, hogy az energetikai berendezések „fogyóeszközökről” „tartós cikkekre” változnak.