地球的自然资源并非取之不尽，寻找替代资源的步伐也在加快。煤炭、天然气、丙烷和其他碳基解决方案等化石燃料带来了相当大的包袱，包括价格和可用性的波动。从历史上看，所谓的黑天鹅事件，包括乌俄罗冲突，已经导致行业和消费者所依赖的产品价格大幅波动。此外，温室气体和其他与燃烧化石燃料有关的污染物问题无处不在。

DET创始人Dr. Tingji“TJ”Tang和Ken Havlinek

走向可再生能源

企业和消费者都越来越多地寻求能够提供稳定的定价和可用性的本土解决方案。对于较大的公司——尤其是公用事业公司——地热可能是其中的一种解决方案。地热系统被称为“我们脚下的太阳”，它利用地球的极热来驱动涡轮机并产生清洁、可靠的电力。虽然你需要深入——非常深入——才能到达能提供足够热量来驱动涡轮机的地层，但好处是显而易见的：地热源是一致的，不受政治和经济动荡的影响。

意识到这一点，美国能源部 (DoE) 于2020年宣布投入465万美元启动了“美国制造挑战:地热奖”，旨在鼓励地热技术组件制造商和地热产业利益相关者之间的合作。2022年，总部位于休斯顿的Downhole Emerging Technologies (DET) 凭借开发新型封隔器系统获得了两项500,000美元大奖中的一项，这是一种调节地热井中热量和蒸汽流动的关键要素。如果没有3D打印，就不可能取得这样的成就。

在地球深处生存

在高达 700° F (371° C) 的极端温度（足以熔化某些金属）和高腐蚀性环境之间，您需要找到合适的材料和零件几何形状来承受这种挑战。这需要建模、测试和迭代以确定零件每个部分的功效。

DET的创始人 en Havlinek和Tingji“TJ”Tang在石油和天然气行业工作多年。由于这些应用中的井较浅，它们的封隔器通常由橡胶或塑料制成——这些材料会在地球深处的高温下熔化。在本次比赛中，合作伙伴将他们的知识移植到地热能领域，设计了一个最佳的解决方案，并为3D打印带来了新的挑战。

3D打印加速迭代

过去，其中一些零件可能是使用CNC加工或注塑成型制造的。虽然两者都能制造出出色的部件，但调整设计以实现预期结果的过程更为复杂。使用注塑成型，需要为每次迭代制作一个新模具，这既耗时又昂贵。

经过仔细评估，DET认为有可能打印他们的一些零件，包括包装机。打印也很有意义，因为时间紧迫。最后期限迫在眉睫，3D打印提供了快速迭代和改进零件设计的机会。作为石油和天然气行业的资深人士，Havlinek承认最初并没有考虑增材制造来制造封隔器和其他一些部件，但DOT奖帮助他以新的方式看待3D打印。

“像我一样，致力于应对这些地热挑战的专家不一定欣赏或理解增材制造可以带来的价值，”Havlinek承认。得益于Protolabs提供的快速制造设计建议，DET可以试验多种材料、调整几何形状并在几天内看到结果。

零件背后的技术

零件必须由金属制成，这是理所当然的。在过热、腐蚀性的地下环境中，没有其他东西可以生存。这意味着使用直接金属激光烧结 (DMLS)，这是一种使用粉末金属作为基础材料逐层构建零件的打印工艺，通过高功率激光将微小的金属粉末颗粒焊接在一起。本质上，激光在粉末床中绘制零件，直到形成所有层并完成零件。

使用DMLS的优势之一是零件可以包含复杂的几何形状，而这些几何形状不可能通过更传统的制造工艺（例如铸造、锻造或机加工）制造。此外，这些金属的硬度几乎等于该金属的固体块。由于这些原因，许多公司正在转向DMLS来制造复杂的零件。

DMLS还提供范围广泛的金属，包括铝 (AlSi10Mg)、钴铬合金、Inconel 718、两种不锈钢（17-4 PH 和 316L）和钛 (Ti6Al-4V)。每一种都具有不同的强度和对腐蚀剂和热的耐受性。

事实上，DET的一个零件需要在GE Additive X Line 2000R打印机上打印。该套管高482.6 毫米，宽119.4 毫米，这也是Protolabs打印过的最高金属部件。

封隔器最重要部件之一（大环形）上的特殊特征必须能够有效且一致地变形，以一种需要更小的力来压缩或拉伸的方式，这对包装工的成功至关重要。通过 CNC加工制造具有这些规格的戒指会产生大量金属废料，这通常会转化为更高的成本。

然而，在这种情况下，根本不可能用对其性能至关重要的内部特征来加工零件，因此DET团队改进了零件以进行3D打印。增材制造提供了更大的设计自由度，因此团队可以发挥创造力，将结构的特征推向机械加工无法达到的水平。另外，几乎消除了浪费。

“如果没有这些功能，完成工作将需要更多的能量，我们希望使用尽可能少的能量来实现封隔器系统运行期间所需的全部运动范围，”Havlinek 补充道。“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。”

收拾行装继续前行

在接下来的几个月里，DET的包装系统将在准备上市前进行测试和改进。虽然美国能源部和快速原型制作开启了这个梦想，但其结果将有助于为能源生产开辟一个更可持续、更安全的未来。这种经历也可能会打开其他公司的设计师/工程师的眼界，让他们考虑在他们的项目中使用3D打印部件。

地球的自然资源并非取之不尽，寻找替代资源的步伐也在加快。煤炭、天然气、丙烷和其他碳基解决方案等化石燃料带来了相当大的包袱，包括价格和可用性的波动。从历史上看，所谓的黑天鹅事件，包括乌俄罗冲突，已经导致行业和消费者所依赖的产品价格大幅波动。此外，温室气体和其他与燃烧化石燃料有关的污染物问题无处不在。

DET创始人Dr. Tingji“TJ”Tang和Ken Havlinek

走向可再生能源

企业和消费者都越来越多地寻求能够提供稳定的定价和可用性的本土解决方案。对于较大的公司——尤其是公用事业公司——地热可能是其中的一种解决方案。地热系统被称为“我们脚下的太阳”，它利用地球的极热来驱动涡轮机并产生清洁、可靠的电力。虽然你需要深入——非常深入——才能到达能提供足够热量来驱动涡轮机的地层，但好处是显而易见的：地热源是一致的，不受政治和经济动荡的影响。

意识到这一点，美国能源部 (DoE) 于2020年宣布投入465万美元启动了“美国制造挑战:地热奖”，旨在鼓励地热技术组件制造商和地热产业利益相关者之间的合作。2022年，总部位于休斯顿的Downhole Emerging Technologies (DET) 凭借开发新型封隔器系统获得了两项500,000美元大奖中的一项，这是一种调节地热井中热量和蒸汽流动的关键要素。如果没有3D打印，就不可能取得这样的成就。

在地球深处生存

在高达 700° F (371° C) 的极端温度（足以熔化某些金属）和高腐蚀性环境之间，您需要找到合适的材料和零件几何形状来承受这种挑战。这需要建模、测试和迭代以确定零件每个部分的功效。

DET的创始人 en Havlinek和Tingji“TJ”Tang在石油和天然气行业工作多年。由于这些应用中的井较浅，它们的封隔器通常由橡胶或塑料制成——这些材料会在地球深处的高温下熔化。在本次比赛中，合作伙伴将他们的知识移植到地热能领域，设计了一个最佳的解决方案，并为3D打印带来了新的挑战。

3D打印加速迭代

过去，其中一些零件可能是使用CNC加工或注塑成型制造的。虽然两者都能制造出出色的部件，但调整设计以实现预期结果的过程更为复杂。使用注塑成型，需要为每次迭代制作一个新模具，这既耗时又昂贵。

经过仔细评估，DET认为有可能打印他们的一些零件，包括包装机。打印也很有意义，因为时间紧迫。最后期限迫在眉睫，3D打印提供了快速迭代和改进零件设计的机会。作为石油和天然气行业的资深人士，Havlinek承认最初并没有考虑增材制造来制造封隔器和其他一些部件，但DOT奖帮助他以新的方式看待3D打印。

“像我一样，致力于应对这些地热挑战的专家不一定欣赏或理解增材制造可以带来的价值，”Havlinek承认。得益于Protolabs提供的快速制造设计建议，DET可以试验多种材料、调整几何形状并在几天内看到结果。

零件背后的技术

零件必须由金属制成，这是理所当然的。在过热、腐蚀性的地下环境中，没有其他东西可以生存。这意味着使用直接金属激光烧结 (DMLS)，这是一种使用粉末金属作为基础材料逐层构建零件的打印工艺，通过高功率激光将微小的金属粉末颗粒焊接在一起。本质上，激光在粉末床中绘制零件，直到形成所有层并完成零件。

使用DMLS的优势之一是零件可以包含复杂的几何形状，而这些几何形状不可能通过更传统的制造工艺（例如铸造、锻造或机加工）制造。此外，这些金属的硬度几乎等于该金属的固体块。由于这些原因，许多公司正在转向DMLS来制造复杂的零件。

DMLS还提供范围广泛的金属，包括铝 (AlSi10Mg)、钴铬合金、Inconel 718、两种不锈钢（17-4 PH 和 316L）和钛 (Ti6Al-4V)。每一种都具有不同的强度和对腐蚀剂和热的耐受性。

事实上，DET的一个零件需要在GE Additive X Line 2000R打印机上打印。该套管高482.6 毫米，宽119.4 毫米，这也是Protolabs打印过的最高金属部件。

封隔器最重要部件之一（大环形）上的特殊特征必须能够有效且一致地变形，以一种需要更小的力来压缩或拉伸的方式，这对包装工的成功至关重要。通过 CNC加工制造具有这些规格的戒指会产生大量金属废料，这通常会转化为更高的成本。

然而，在这种情况下，根本不可能用对其性能至关重要的内部特征来加工零件，因此DET团队改进了零件以进行3D打印。增材制造提供了更大的设计自由度，因此团队可以发挥创造力，将结构的特征推向机械加工无法达到的水平。另外，几乎消除了浪费。

“如果没有这些功能，完成工作将需要更多的能量，我们希望使用尽可能少的能量来实现封隔器系统运行期间所需的全部运动范围，”Havlinek 补充道。“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。”

收拾行装继续前行

在接下来的几个月里，DET的包装系统将在准备上市前进行测试和改进。虽然美国能源部和快速原型制作开启了这个梦想，但其结果将有助于为能源生产开辟一个更可持续、更安全的未来。这种经历也可能会打开其他公司的设计师/工程师的眼界，让他们考虑在他们的项目中使用3D打印部件。