Améliorer les performances des applications énergétiques grâce à l’impression 3D métal

La fabrication additive métallique est de plus en plus utilisée pour développer la prochaine génération de turbomachines. Ce sont des machines qui transfèrent l’énergie entre un rotor et un fluide, y compris les turbines et les compresseurs. Pour produire des conceptions innovantes dans ce domaine, sans avoir à faire face à des cycles de développement longs et coûteux, les entreprises investissent dans de nouvelles technologies. Ainsi, Mohawk Innovative Technology a récemment intégré la technologie métal de VELO3D dans la conception du compresseur d’un projet d’énergie solaire concentrée (Concentrated Solar Power -CSP- en anglais) parrainé par le ministère américain de l’énergie (DOE). La fabrication du compresseur via des méthodes traditionnelles, telles que la fabrication d’un moule et le moulage, aurait pris une vingtaine de semaines et coûté plus de 90 000 dollars. Au lieu de cela, Mohawk a réalisé une pièce, du début à la fin, dans des délais plus courts, et cela a réduit le coût par 2,5. Comment l’impression 3D métal impacte-t-elle alors le secteur de l’énergie ?

En 1994, les co-fondateurs Jim Walton et le Dr Hooshang Heshmat ont fusionné leurs compétences en matière d’aérospatiale et de métallurgie pour former Mohawk Innovative Technology, Inc. La société développe une technologie de roulements sans huile incorporée dans des composants sophistiqués pour l’énergie, l’électricité, la défense, l’aérospatiale et d’autres industries. Après quelques projets réussis, tels que le développement d’un compresseur centrifuge en métal moulé pour un système de transport d’hydrogène, ils se sont qualifiés pour un nouveau projet parrainé par le DOE.

Un schéma de l’usine CSP. Les Circulateurs de Transfert de Chaleur comprennent les carters des compresseurs (crédits photo : DOE)

Dans ce projet, ils devaient concevoir des circulateurs de transfert de chaleur pour un système d’énergie solaire concentrée (CSP) qui serait compétitif avec la production d’électricité conventionnelle. Dans un certain contexte, les systèmes CSP utilisent des miroirs pour réfléchir et concentrer la lumière du soleil sur un récepteur, où la lumière est collectée et convertie en énergie thermique utilisée pour produire de l’électricité. Dans ce cas, l’énergie thermique était sous forme de CO2 supercritique (s-CO2), qui est l’état fluide du CO2 (lorsque le CO2 est maintenu à sa température et à sa pression critiques ou au-dessus). Sous des pressions extrêmement élevées, le s-CO2 a la densité d’un liquide mais la viscosité d’un gaz. Cela en fait un conduit idéal pour la chaleur et l’énergie, fournissant beaucoup plus de puissance que la vapeur. Il peut également être comprimé par des échangeurs de chaleur et acheminé vers des réservoirs pour être stocké pour les besoins en énergie aux heures de pointe. C’est pourquoi Mohawk a commencé à concevoir un boîtier de compresseur, spécifiquement adapté au s-CO2. De plus, sa technologie de roulements sans huile était parfaitement adaptée, étant donné que l’huile est réactive au s-CO2 et provoque de la corrosion.

« Notre objectif était de contribuer à réduire le coût des machines et de rendre ces installations plus rentables. Un seul compresseur pour un système CSP de 100 mégawatts peut coûter entre 7 et 20 millions de dollars, il y a donc une réelle opportunité d’innovation en matière de conception pour soutenir les énergies alternatives. Lorsque le DOE a commencé à chercher des moyens de relever les défis du s-CO2 dans les centrales solaires à concentration, nous savions que nous pouvions apporter des réponses« , explique M. Walton.

Modèle en plastique d’un circulateur HTF pour un système CSP conçu par Mohawk. La partie en bleu est le boîtier du compresseur qui a été imprimé en 3D sur l’imprimante Sapphire de VELO3D (crédits photo : Mohawk Innovative Technology)

La géométrie complexe conduit à repenser les matériaux et la fabrication

Le boîtier devait non seulement supporter un arbre rotatif tournant librement, mais il devait également incorporer des volutes (canaux courbes) qui assurent l’aspiration et le refoulement à grande vitesse du s-CO2 à travers le compresseur. L’ingénieur en chef, Jose Cordova, explique : « Pour fournir autant de fonctionnalités dans un compresseur de conception classique, il aurait fallu combiner trois parties distinctes. De plus, étant donné les pressions sur le s-CO2 circulant dans ce système et les températures extrêmes (de 50 à 550°C) auxquelles il est soumis, nous savions que nous devions utiliser un superalliage à base de nickel comme l’Inconel, qui est notoirement difficile à couler. » L’équipe a donc rapidement compris qu’elle ne pourrait pas fabriquer cette pièce via des méthodes traditionnelles. Et même les méthodes d’impression 3D existantes créeraient une rugosité, compromettant l’efficacité.

C’est pourquoi Mohawk a décidé de s’associer à VELO3D, développeur de la technologie de fabrication additive métal sans support, basée sur la fusion laser sur lit de poudre. Après des essais de traction réussis sur des ébauches en Inconel imprimées en 3D, le projet a reçu le feu vert du Dr Heshmat. Gene Miller, ingénieur d’application de VELO3D, affirme : « Il y avait beaucoup d’angles difficiles qui nécessitaient généralement des structures de support, ce qui ne fait qu’ajouter des compromis à la conception et aux performances. Notre technologie permet d’imprimer des angles de zéro degré sans support, ce qui s’est avéré nécessaire pour les volutes internes. » Avec l’impression 3D, ils ont également pu créer un seul design composé, au lieu de combiner trois parties.

Partie du boîtier du compresseur imprimée en 3D sur la machine Sapphire de VELO3D grâce à sa technologie de fabrication additive métallique sans support

Le flux de travail de fabrication additive de VELO3D

Pour mettre en place la conception pour l’impression 3D, le fichier CAO natif a été introduit dans le logiciel de pré-impression Flow de VELO3D. Une fois le design établi dans le logiciel, la pièce en Inconel a été imprimée en 3,5 jours environ sur le système Sapphire de Duncan Machine Products (le fabricant sous contrat pour ce projet). Le logiciel Assure de VELO3D a contrôlé et rapporté les aspects critiques en temps réel, en indiquant les mesures non nominales. Le logiciel capture les points de données pertinents, ainsi que l’analyse des tendances, dans un rapport de construction complet qui donne aux utilisateurs finaux des informations clés. Des résultats reproductibles et répétables sont essentiels pour que les utilisateurs finaux puissent avoir confiance dans le processus de fabrication additive, c’est pourquoi VELO3D a mis l’accent sur le développement et l’amélioration de cette solution logicielle.

La fabrication additive métal : l’avenir des technologies vertes ?

Les ingénieurs de Mohawk ont expliqué qu’ils étaient enthousiasmés par le potentiel de la fabrication additive et pensaient qu’elle pourrait avoir un grand impact sur leurs activités à l’avenir. Walton commente : « L’impression 3D nous ouvre de nouveaux marchés et nous convient parfaitement, car notre spécialité, ce sont les machines personnalisées. Elle crée sans aucun doute de nouvelles opportunités pour le prototypage rentable ainsi que pour la fabrication à coût compétitif de pièces de production pour des systèmes personnalisés. » En effet, les ingénieurs n’ont pu faire aucun compromis sur l’intention de conception, ils ont pu innover plus rapidement et réduire les coûts de fabrication, tout en augmentant les performances ! Pour plus d’informations sur la technologie et les applications de VELO3D, vous pouvez vous rendre sur leur site officiel.

L’impression 3D métal peut-elle améliorer le secteur de l’énergie ? Partagez votre avis dans les commentaires de l’article ou avec les membres du forum 3Dnatives. Retrouvez toutes nos vidéos sur notre chaîne YouTube ou suivez-nous sur Facebook ou Twitter !