رفتن به نوشته‌ها

پرینت سه بعدی قطعات سلول سوختی هزینه ها را کاهش می دهد (بسیار زیاد)


از طریق ما با همه چیزهایی که در دنیای شگفت انگیز AM اتفاق می افتد به روز باشید لینکدین انجمن.

هیدروکربن ها به دلیل انتشار آلاینده ها در هنگام سوختن شناخته شده اند. با این حال، همانطور که اکنون به نظر می رسد، ممکن است همیشه لازم نباشد که آنها را هنگام تولید انرژی بسوزانید. یک رویکرد امیدوارکننده که از مرحله تحقیق – به مرحله تجاری سازی – ظهور می کند، فناوری سلول سوختی اکسید جامد (SOFC) است. این پتانسیل از طریق مشارکت بین فناوری نوآورانه Mohawk و Velo3D آشکار می شود.

وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) سال ها در SOFC ها سرمایه گذاری کرده است (750 میلیون دلار از سال 1995، طبق وب سایت آنها) به عنوان بخشی از تلاش های مداوم برای کربن زدایی تولید انرژی. DOE یک SOFC را به عنوان یک دستگاه الکتروشیمیایی توصیف می کند که مستقیماً از اکسیداسیون یک سوخت هیدروکربنی (معمولاً گاز طبیعی) الکتریسیته تولید می کند، در حالی که مرحله احتراق واقعی را حذف می کند. اساساً یک SOFC مانند یک باتری با عمر بی نهایت عمل می کند که دائماً در حال شارژ شدن است – بدون سوزاندن گازی که آن را شارژ می کند.

بسته کوچک، خروجی انرژی بزرگ

خوزه لوئیس کوردووا، دکترا، معاون مهندسی در شرکت فناوری نوآورانه موهاوک (MITI) گفت: پیل‌های سوختی اکسید جامد بسیار جذاب هستند زیرا انرژی زیادی را در بسته‌های بسیار کوچک تولید می‌کنند. Mohawk که بر روی چندین برنامه با بودجه DOE کار می کند، یک شرکت 28 ساله مستقر در آلبانی در نیویورک است که متخصص در “CleanTech” است – طراحی توربوماشین آلات بدون روغن با راندمان بالا، مقرون به صرفه، کم تاثیر زیست محیطی. محصولاتی از جمله توربو ژنراتورهای انرژی تجدیدپذیر، توربو کمپرسورها/دمنده های بدون روغن و موتورهای الکتریکی.

خوزه لوئیس کوردووا گفت: “SOFC ها فشرده هستند و می توانند در یک کارخانه ساخته شوند، سپس به محل خاصی که برای پشتیبانی از تولید انرژی توزیع شده مورد نیاز هستند، منتقل شوند.” در مقابل نیروگاه متمرکز و چند مگاواتی معمولی قرار بگیرید که راه اندازی آن میلیاردها دلار و چندین سال طول می کشد. SOFC ها نیز بسیار کارآمد هستند. برخلاف باتری‌های معمولی، آنها با گذشت زمان قدرت خود را از دست نمی‌دهند، زیرا تا زمانی که معرف‌ها را تامین کنید، می‌توانید واکنش‌های الکتروشیمیایی را تقریباً به طور نامحدود ادامه دهید.

فناوری نوآورانه Mohawk با قطعات پیل سوختی Velo3D به چاپ سه بعدی همکاری می کند تا هزینه ها را کاهش دهد (بسیار بسیار).

اگرچه بیش از 40000 واحد پیل سوختی 100 کیلوواتی (هر کدام قادر به تامین انرژی 50 خانه) در سراسر جهان در سال 2019 ارسال شد، پذیرش گسترده این فناوری به دلیل گران بودن بسیاری از قطعات SOFC برای ساخت و پوشیدن این قطعات محدود شده است. به دلیل قرار گرفتن در معرض گازهایی که عملکرد آنها را بسیار کارآمد می کند، به سرعت خارج می شوند.

مواجهه با مسائل هزینه و دوام

برای کمک به غلبه بر چنین چالش هایی، Mohawk برخی از آن قطعات حیاتی را برای عمر طولانی تر و کارایی بیشتر طراحی کرده است. یک مثال آند دمنده بازیافت گاز آند (AORB) است – یک جزء ضروری از “تعادل کارخانه” (ماشین آلاتی که پشته سوخت SOFC را پشتیبانی می کند).

در حین کار، هر پیل سوختی تنها حدود 70 درصد از گازی را که تغذیه می کند استفاده می کند. بقیه تقریباً 30٪ به همراه آب (محصول واکنش الکتروشیمیایی) مستقیماً از سیستم عبور می کند. خوزه لوئیس کوردووا گفت: “شما نمی خواهید گاز یا آب باقیمانده را دور بریزید، می خواهید آنها را به ابتدای فرآیند بازگردانید.” و اینجاست که AORB وارد می شود. این در اصل یک کمپرسور یا فن کم فشار است که اگزوز را بازیافت کرده و آن را به جلوی پیل سوختی باز می گرداند.

خوزه لوئیس کوردووا (یک کارخانه معمولی 250 کیلووات SOFC از دو نفر از آنها استفاده می کند) گفت: “طراحان تعادل کارخانه SOFC فکر می کردند که این دمنده یک واحد خارج از قفسه خواهد بود.” اما به دلیل گازهای فرآیندی در سیستم، دمنده های سنتی تمایل به خوردگی و تخریب دارند. هیدروژن موجود در مخلوط به آلیاژهایی که دمنده ها از آنها ساخته شده اند حمله می کند و همچنین به آهنرباها و اجزای الکتریکی موتورهایی که دمنده ها را تغذیه می کنند آسیب می رساند. بیشتر دمنده ها همچنین حاوی روان کننده هایی مانند روغن هستند که تجزیه می شوند. بنابراین شما با دمنده هایی با قابلیت اطمینان بسیار پایین مواجه می شوید – که بخش قابل توجهی از هزینه تعادل کارخانه را نشان می دهد – و کارخانه SOFC شما هر دو تا چهار هزار ساعت یکبار نیاز به تعمیر اساسی دارد.

فناوری نوآورانه Mohawk با قطعات پیل سوختی Velo3D به چاپ سه بعدی همکاری می کند تا هزینه ها را کاهش دهد (بسیار بسیار).

این آمار بسیار کمتر از هدف DOE برای طول عمر عملیاتی 40000 ساعت برای یک SOFC معمولی و کاهش هزینه نصب از میانگین 12000 دلار در کیلووات (کیلووات انرژی الکتریکی) به 900 دلار در کیلووات است.

خوزه لوئیس کوردووا گفت: «بنابراین متوجه شدیم که فناوری اختصاصی، بدون روغن و سازگار با فویل بلبرینگ (CFB)، پوشش‌های تخصصی و دهه‌ها تخصص در ماشین‌آلات توربوماشین برای این چالش مناسب است.

AM پاسخ هایی را ارائه می دهد

بودجه DOE ابزاری را برای Mohawk فراهم کرد تا نمونه های اولیه AORB را در یک نیروگاه نمایشگر SOFC که توسط FuelCell Energy اداره می شود، طراحی و آزمایش کند. آزمایش دقیق تحت شرایط عملیاتی واقعی، دوام و عملکرد را اندازه گیری کرد. آخرین نسخه ها هیچ تخریب قابل توجهی در قطعات یا خروجی و حذف کامل هر گونه مشکل عملکرد یا قابلیت اطمینان نشان ندادند.

با این حال، هزینه AORB بسیار بالا باقی مانده است – تا حد زیادی به دلیل پروانه گریز از مرکز با سرعت بالا، که به طور مداوم تحت تنش های مکانیکی و حرارتی شدید کار می کند. برای طولانی‌ترین عمر، این قطعه باید از مواد سوپرآلیاژی گران‌قیمت، با استحکام بالا، مبتنی بر نیکل و مقاوم در برابر خوردگی مانند Inconel 718 یا Haynes 282 ساخته شود که ماشین‌کاری یا ریخته‌گری دشوار است. دستیابی به راندمان آیرودینامیکی مطلوب در یک پروانه نیازمند هندسه های سه بعدی پیچیده ای است که ساخت آن چالش برانگیز است. علاوه بر این، به دلیل ماهیت اولیه بازار فعلی SOFC، پروانه ها در دسته های نسبتاً کوچک تولید می شوند و صرفه جویی در مقیاس دشوار است.

همانطور که می توانید تصور کنید، تولید افزودنی پاسخ قانع کننده ای برای کاهش هزینه های تولید ارائه کرد. در حالی که پروژه اصلی با FuelCell Energy در حال تکامل بود، Mohawk همچنین تماس هایی از گروه های تحقیق و توسعه دریافت می کرد که به دنبال کمک برای طراحی اجزای سلول سوختی خود بودند. خوزه لوئیس کوردووا گفت: «از آنجایی که بسیاری از این تولیدکنندگان و ادغام‌کنندگان هنوز در مرحله تحقیق بودند، هر کدام شرایط عملیاتی متفاوتی را در ذهن داشتند. «استفاده از تولید سنتی، ساختن تعداد انگشت شماری از چرخ‌های پروانه سفارشی یا پیچ‌هایی که می‌خواستند، بسیار گران بود. بنابراین از آنجا بود که ما شروع به بررسی AM کردیم. ما تحقیقات خود را در مورد سازندگان سیستم AM انجام دادیم و با آن ارتباط برقرار کردیم ارائه دهنده LPBF Velo3D

همکاری در زمینه قابلیت ها

خوزه لوئیس کوردووا گفت: “با هدف کاهش هزینه ها و بهبود عملکرد SOFC ها، DOE مشتاق روش های تولید نوآورانه ای مانند AM است.” بودجه آنها (از طریق پروژه تحقیقات صنعتی کسب و کار کوچک) از مشارکت فعلی ما با Velo3D و همچنین مشارکت قبلی ما با FuelCell Energy پشتیبانی می کند. یک مزیت دیگر این است که این کار به پیشرفت فناوری چاپ سه بعدی به طور کلی کمک می کند زیرا ما بیشتر و بیشتر در مورد قابلیت ها و پتانسیل آن می آموزیم.

مت کارش گفت: “همکاری دست در دست شرکت هایی مانند Mohawk که مایل به همکاری با ما هستند و به ما بازخورد می دهند، باعث پیشرفت در پارامترها و قابلیت های فرآیند داخلی ما می شود و به ما کمک می کند تا روش های چاپ خود را بهتر کنیم.” ، رهبر پروژه Mohawk Velo3D.

کارایی هزینه AM

خوزه لوئیس کوردووا گفت: «چرخ‌های پروانه سنتی ما با تولید کم‌تر از 15000 تا 19000 دلار در هر قطعه کار می‌کردند. هنگامی که ما آنها را به صورت سه بعدی پرینت کردیم، در دسته های کوچک حدوداً هشت واحدی به جای یک واحد در یک زمان، به 500 تا 600 دلار کاهش یافت – کاهش بسیار قابل توجهی در هزینه.

علاوه بر کاهش هزینه‌های تولید، LPBF تنها فناوری است که می‌تواند انعطاف‌پذیری طراحی را که به دنبال آن بودیم برای ما فراهم کند. AM نسبت به تعداد پره‌های پروانه، زاویه یا فاصله آنها بی‌تفاوت است – همه اینها تأثیر مستقیمی بر کارایی آیرودینامیکی دارند. خوزه لوئیس کوردووا گفت: ما اکنون دقت هندسی مورد نیاز برای دستیابی به طراحی‌های توربوماشین‌های دوار با عملکرد بالاتر و کاهش هزینه‌های تولید را داریم.

انتخاب آلیاژ کامل

برای پروانه های پرینت سه بعدی روی سیستم Velo3D Sapphire (در Duncan Machine، سازنده قراردادی در شبکه جهانی Velo3D)، انتخاب استفاده از Inconel 718 – یکی از آلیاژهای مبتنی بر نیکل با تحمل دما قوی است که می تواند در برابر استرس مقاومت کند. بهترین چرخش

هانا لی، مهندس مکانیک در موهاوک، می گوید: «اینکونل برای ما بسیار جذاب بود، زیرا از نظر شیمیایی به اندازه کافی بی اثر است و خواص مکانیکی خود را در دماهای بسیار بالا که قطعاً از آلومینیوم یا تیتانیوم پیشی می گیرد، حفظ می کند.

اگرچه Velo3D قبلاً گواهینامه Inconel 718 را برای ماشین‌های خود دریافت کرده بود، موهاوک مطالعات مواد بیشتری را برای افزودن به مجموعه دانش در مورد نسخه چاپ‌شده سه بعدی این سوپرآلیاژ انجام داد. هانا لیا گفت: «تست های ما نشان داد که Inconel 718 چاپ سه بعدی LPBF دارای خواص مکانیکی مانند تنش تسلیم و تحمل خزش است که بالاتر از مواد ریخته‌گری بود. این برای کاربردهای دمنده گریز از مرکز و کمپرسور در محدوده دمای عملیاتی بیش از حد کافی بود.

تکرار آسان شد

همانطور که کار پروانه آنها پیشرفت می کرد، مهندسان Mohawk با کارشناسان Velo3D در تکرار طراحی، اصلاحات و استراتژی های چاپ همکاری کردند. خوزه لوئیس کوردووا گفت: “این واقعاً جالب بود زیرا ما نیازی به ایجاد هیچ تغییر عمده ای در طراحی پروانه اصلی که با آن کار می کردیم نداشتیم – با سیستم Sapphire Velo3D فقط می توانستیم آنچه را که می خواستیم چاپ کنیم.” ما برخی از تنظیمات و اصلاحات فرآیند را از نظر ملاحظات ساختار پشتیبانی و اصلاحات پرداخت سطح انجام دادیم.

با پیشرفت پروژه پروانه، AM زمان‌های چرخش بسیار سریع‌تری را نسبت به ریخته‌گری یا فرز فراهم می‌کرد، زیرا قطعات را می‌توان به سرعت چاپ، ارزیابی، تکرار کرد و دوباره چاپ کرد. در مراحل بعدی پرینت سه بعدی، چندین نمونه از طرح های پروانه قدیمی و جدید را می توان به طور همزمان در یک صفحه ساخت برای مقایسه نتایج ایجاد کرد.

اندازه نسبتاً کوچک پروانه‌ها (قطر 60 میلی‌متر) ساخت یک “کفن فداکاری” توسط تیم را ضروری کرد – یک محفظه چاپی موقت که تیغه‌ها را در طول ساخت حفظ می‌کرد.

کفن های قربانی و سطوح صاف تر

مت کارش از Velo3D می‌گوید: «آنچه در مورد این رویکرد واقعاً جالب بود این است که پروانه‌های پوشیده شده برای اکثر فناوری‌های افزودنی فعلی، اساساً به دلیل ساختارهای پشتیبانی سنتی که به آن‌ها نیاز دارند، غیرقابل لمس هستند. ما از یک رویکرد نه بدون پشتیبانی، اما با حمایت کاهش یافته استفاده کردیم. موهاک می‌گفت: «ما در نهایت به کفن نیازی نداریم، اما کفن قسمت ما را بهتر می‌کند، بنابراین ما این چیزی را که معمولاً چاپ آن بسیار سخت است وصل می‌کنیم – و فقط بعد از آن آن را قطع می‌کنیم». با استفاده از فناوری Velo3d، آن ها توانستند آن روکش یکبار مصرف را روی پروانه خود بسازند، شکل ایرفویل و مسیر جریانی را که می خواستند به دست آورند، و سپس این یک عملیات ماشینکاری بسیار ساده برای برداشتن کفن بود.

به گفته مهندس Mohawk، Rochelle Wooding، پرداخت سطح تمرکز دیگری بود. “سطح در تکرارهای اولیه ما کمی ناهموار بود. چیزی که در مورد کفن قربانی جالب بود این بود که یک مسیر جریان را از طریق تیغه ها به ما می داد که می توانستیم برای اصلاح ناهمواری ها با استفاده از اکستروژن استفاده کنیم. برای تعیین اینکه چه مقدار ماده به تیغه ها اضافه شود تا به ضخامت تیغه مورد نظر ما دست یابیم، مقداری تکرار بیشتر طول کشید. سطح نهایی نهایی که به دست آوردیم با یک قطعه ریخته گری قابل مقایسه است و از نظر آیرودینامیکی با اهداف ما مطابقت دارد.

آزمایش آینده، چشم انداز آینده

مراحل بعدی تقویت مجدد AORB ها با پروانه های جدید و آزمایش آنها در شرایط میدانی است. خوزه لوئیس کوردووا گفت: “ما انتظار داریم که اجرای موفقیت آمیز این دو وظیفه به طور کامل نشان دهد که قطعات Inconel پرینت سه بعدی ارائه شده توسط فناوری LPBF جایگزین مناسب و قابل اعتمادی برای تولید قطعات توربوماشین آلات هستند.” کار در حال حاضر با استفاده از AM برای سایر قطعات دمنده مانند محفظه ها و پیچ ها در حال انجام است.

«از طریق این پروژه‌های تأمین‌شده توسط DOE، ما توانسته‌ایم کتابخانه‌ای از قطعات مشترک ایجاد کنیم. بر اساس ایده اصلی، ما اکنون حداقل سه پلتفرم کاملاً متفاوت داریم که می‌توانند از قابلیت‌های مختلف قدرت برای پشتیبانی از پیشرفت انرژی پاک در آینده استفاده کنند.»



منبع

منتشر شده در اخبار پرینتر و چاپ سه بعدی