3D-Druck im Energiesektor

3D-Druck oder additive Fertigung ist ein Produktionsverfahren, bei dem ein dreidimensionales Objekt aus einer CAD-Datei (Computer Aided Design) erstellt wird. Der Begriff umfasst mehrere verschiedene Verfahren, bei denen ein oder mehrere Materialien - in der Regel Kunststoff, Metall, Wachs oder Verbundwerkstoffe - Schicht für Schicht aufgetragen werden, um eine Form zu erzeugen.

Der gesamte Prozess ist computergesteuert und macht den 3D-Druck zu einer kostengünstigen, effizienten und präzisen Methode zur Herstellung von Objekten mit nahezu beliebiger Geometrie und Komplexität. Heute wird der 3D-Druck in allen Branchen eingesetzt, um alles von Prototypen, Werkzeugen und Vorrichtungen bis hin zu Komponenten und Endprodukten herzustellen.

3D-Drucker gibt es in verschiedenen Größen, von klein genug, um auf einen Tisch zu passen, bis hin zu großformatigen Industriemaschinen.

Große Drucker produzieren größere Objekte, aber die Geräte benötigen mehr Platz und kosten deutlich mehr als Tischdrucker. Die Herstellung eines erfolgreichen Drucks ist bei einem Großformatdrucker aufgrund des Materialvolumens und der Druckzeit ebenfalls komplexer.

Der 3D-Druck bringt dem Energiesektor viele Vorteile, unter anderem:

• Rationalisierung der Produktentwicklung
• Größere Flexibilität beim Design
• Verkürzung der Markteinführungszeit
• Herstellung von leichteren und leistungsfähigeren Teilen 
• Minimierung der Verschwendung von Rohmaterial
• Konsolidierung bisher getrennter Teile zu einer einzigen Einheit
• Optimierung des Bestands- und Lieferkettenmanagements

Der Energiesektor entwickelt sich immer mehr in Richtung erneuerbarer und nachhaltiger Energiequellen wie Wind, Sonne, Gezeiten, Wasser, Erdwärme und Biomasse. Während dieser Umstellung werden viele Länder weiterhin Energie verbrauchen, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl, Erdgas und Kohle erzeugt wird.

Der 3D-Druck ist der Schlüssel, um die Einführung erneuerbarer Energien zu beschleunigen und in der Zwischenzeit die traditionellen Energiequellen sauberer zu machen. Der Energiesektor hat sich darauf eingestellt. In den meisten großen Unternehmen, darunter BP Global, Chevron, Exxon Mobil, GE Power und Shell Global, gibt es inzwischen 3D-Drucklabors.

Die Technologie wird auch von Neugründungen und Marktumwälzern genutzt, von Energieversorgungsunternehmen und Universitätsausgründungen bis hin zu Batterieherstellern.

Dennoch ist der Einsatz des 3D-Drucks im Energiesektor im Vergleich zur Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie und zum Gesundheitswesen relativ gering. Energieunternehmen nutzen den 3D-Druck hauptsächlich für das Rapid Prototyping und die Modellierung und nicht für die Herstellung von Endteilen.

Dies ändert sich jedoch in dem Maße, in dem der Energiesektor mit der 3D-Drucktechnologie und ihren zahlreichen Vorteilen vertraut wird. Dank der Erforschung neuer 3D-Druck-Materialien und -Verfahren erweitert sich auch das Spektrum der möglichen Anwendungsfälle.

Darüber hinaus gibt es Initiativen zur Entwicklung der erforderlichen Industriestandards, Qualitätssicherungsprozesse und Zertifizierungen für 3D-gedruckte Teile, die in anspruchsvollen Umgebungen wie Offshore-Ölplattformen oder Windparks eingesetzt werden können.

Infolgedessen wird der 3D-Druck im Energiesektor in naher Zukunft wahrscheinlich viel häufiger zum Einsatz kommen.  

Das in Oklahoma ansässige Unternehmen Duncan Machine Products (DMP) ist ein Full-Service-Präzisionsbearbeitungsunternehmen, das sich zu einem wichtigen Zulieferer für die Öl- und Gasindustrie entwickelt hat.

Als Reaktion auf die steigende Kundennachfrage nach höherer Teileleistung und kürzeren Lieferzeiten ist DMP eine Partnerschaft mit Velo3D eingegangen, um 3D-gedruckte Industrieteile herzustellen.

Die Drucker von Velo3D sind dafür bekannt, dass sie hochwertige Teile mit Geometrien mit geringem Winkel ohne Stützstrukturen herstellen. Dies hilft Unternehmen wie DMP, sich um ein größeres Portfolio von Projekten zu bewerben, da die Kunden die Teile nicht neu entwerfen müssen.

DMP hat bereits Aufträge für den 3D-Druck von mindestens 1.500 Teilen für Bohrlochwerkzeuge erhalten, die in der Onshore- und Offshore-Exploration eingesetzt werden; ein Auftrag, der sich in den nächsten 24 Monaten verzehnfachen könnte.

Die Bedingungen, unter denen Bohrlochwerkzeuge arbeiten müssen, sind widrig und umfassen extreme Druck- und Hochtemperatursituationen, die eine robuste und zuverlässige Fertigungslösung erfordern. 

Für dieses spezielle Programm verwendet DMP die additive Fertigung von Metallen (AM), um den Feinguss als Fertigungsverfahren zu ersetzen.

Nach Angaben eines DMP-Sprechers ist Metall-AM angesichts der komplexen technischen Anforderungen in der Öl- und Gasindustrie sehr gut geeignet. Die Technologie trägt auch dazu bei, die Kosten zu senken, die Qualität zu verbessern und die Lieferzeiten zu verkürzen.

• SCHNELLES PROTOTYPING

Prototypen, ob einfache Modelle oder detaillierte maßstabsgetreue Modelle, sind ein wichtiger Bestandteil der Produktentwicklung. Anhand von Konzeptmodellen im Frühstadium können Ingenieure einen Entwurf validieren und sehen, wie die verschiedenen Komponenten miteinander interagieren. Auf diese Weise lassen sich potenzielle Probleme bereits in einem früheren Stadium des Herstellungsprozesses erkennen und es wird sichergestellt, dass das endgültige Projekt den Designvorgaben entspricht.

Früher wurden Prototypen von Hand oder mit Hilfe von Gussformen hergestellt, die ebenfalls entworfen und gefertigt werden mussten, oft von einem externen Unternehmen. Dieser Prozess war teuer und konnte Wochen oder sogar Monate dauern. 

Der 3D-Druck verkürzt den Produktentwicklungszyklus, da die Teile in einem Bruchteil der Zeit und zu den Kosten herkömmlicher Fertigungsmethoden entworfen und gedruckt werden können.

Durch die Verkürzung der Zeitspanne zwischen den einzelnen Entwurfsverfeinerungen können mehr Tests in der gleichen oder einer kürzeren Zeitspanne durchgeführt werden. Dadurch können Unternehmen die Markteinführung beschleunigen und der Konkurrenz einen Schritt voraus sein.

Die Schnelligkeit, Genauigkeit und Erschwinglichkeit von 3D-Druckmodellen macht auch den Bau neuer Energieprojekte schneller und effizienter. Das Tiefsee-Öl- und -Gasprojekt von Stones beispielsweise ist das tiefste der Welt und wird in einer Wassertiefe von 2.900 Metern in einem Gebiet des Golfs von Mexiko betrieben.

Die Unterwasserinfrastruktur pumpt Öl und Gas vom Meeresboden zu einem schwimmenden Förder-, Lager- und Entladungsschiff (FPSO). Mithilfe des 3D-Drucks konnte das Stones-Projektteam einen Prototyp des Systems erstellen, das das FPSO mit den Pipelines am Meeresboden verbinden wird. Auf diese Weise konnten sie das System den US-Behörden vorführen, die dessen Einsatz in der Region zum ersten Mal genehmigen mussten.

• PRODUKTIONSTEILE

Der 3D-Druck wird für die Herstellung einer wachsenden Zahl hochwertiger, kritischer Komponenten für den Energiesektor eingesetzt. Dabei handelt es sich vor allem um hochkomplexe und/oder in geringen Stückzahlen benötigte Bauteile, für die herkömmliche Herstellungsverfahren nicht geeignet sind. 

Dazu gehören Gasturbinendüsen, Laufräder, Kolben, Pumpen, Rotoren und Teile für Regelventile, Durchflussmesser, Wärmetauscher und Manometer.

Viele dieser Komponenten arbeiten in rauen Umgebungen und müssen extremen mechanischen und Temperaturbelastungen standhalten. Das bedeutet, dass 3D-gedruckte Teile für den Energiesektor in der Regel aus einem Metall oder einer Legierung und nicht aus Kunststoff oder Harz hergestellt werden.

Nur eine Handvoll von Endverbraucherkomponenten wurde bisher für den Einsatz im Energiesektor zugelassen. Die Stromerzeugung ist ein lebenswichtiger Bestandteil des täglichen Lebens, und ein Ausfall der Hardware stellt eine ernsthafte potenzielle Bedrohung für Menschen, Wildtiere und die Umwelt dar.

Aus diesem Grund sind Energieunternehmen und Aufsichtsbehörden risikoscheu, wenn es darum geht, bewährte Methoden durch neue Alternativen zu ersetzen, obwohl diese Vorteile bieten. Das könnte sich ändern, wenn der 3D-Druck an Vertrauen gewinnt und branchenspezifische Standards veröffentlicht werden.

• ERSATZTEILVERSORGUNG UND REPARATUREN

Ausfallzeiten sind in jeder Branche ein ernstes Problem, besonders aber im Energiesektor. Nur 1 % der Ausfallzeiten, d. h. 3,65 Tage, kosten die Öl- und Gasunternehmen schätzungsweise 6,6 Millionen Dollar pro Jahr. Offshore-Unternehmen haben im Durchschnitt fast einen Monat ungeplante Ausfallzeiten, also 27 Tage, was sie jährlich fast 50 Millionen Dollar kostet. Man geht davon aus, dass fast die Hälfte aller ungeplanten Ausfallzeiten durch irgendeine Form von Hardwareausfall oder Fehlfunktion verursacht wird.

Aufgrund der hohen Kosten für Ausfallzeiten waren die Energieunternehmen bisher gezwungen, große Mengen an Komponenten auf Vorrat zu halten, was mit erheblichen Kosten verbunden war.

Stattdessen brauchen sie eine Möglichkeit, Ersatzteile zuverlässig und schnell an Anlagen an entfernten Standorten zu liefern, ohne dass die Kosten für die Lagerhaltung anfallen oder ein neues Teil von Grund auf neu entwickelt und qualifiziert werden muss.

Hier machen sich die Geschwindigkeit, Flexibilität und Effizienz des 3D-Drucks bezahlt. Zuverlässige Teile können auf Abruf an oder in der Nähe von entfernten Standorten gedruckt werden. Das Verfahren ist wesentlich schneller und kostengünstiger als die Lagerhaltung oder die Neukonstruktion und Qualifizierung eines neuen Teils. Außerdem sind keine Mindestbestellmengen erforderlich.

Dies trägt zur Optimierung der Lagerbestände bei und macht die Unterhaltung von Lagereinrichtungen überflüssig. Schwer zu beschaffende oder veraltete Komponenten können auch digital gescannt und für den 3D-Druck neu konstruiert werden. Dies führt zu Zeit-, Kosten- und Arbeitseinsparungen und häufig zu leichteren Teilen mit besserer Leistung.   

 

Höhere und leistungsfähigere Turbinen könnten dazu beitragen, die Effizienz und den Energieertrag eines Windparks zu steigern. Der Leistung von Windkraftanlagen an Land sind jedoch Grenzen gesetzt. Größere Generatoren erfordern höhere, stärkere und massivere Türme. Dies stellt einen Engpass für das künftige Wachstum der Windindustrie dar.

Herkömmliche Windkrafttürme werden aus vorgefertigten Stahlrohren hergestellt, die auf Tiefladern zum Standort transportiert und vor Ort zusammengeschweißt werden. Der Transport auf der Straße begrenzt die Größe dieser Türme auf einen Durchmesser von etwa 14 Fuß. Je größer sie sind, desto breiter werden sie und passen nicht mehr auf viele Straßen.

Das 3D-Drucken des Turmfundaments aus Beton vor Ort würde es ermöglichen, die Basis breiter und stabil genug zu machen, um eine höhere und leistungsstärkere Turbine zu tragen.

Außerdem hängt die Effektivität einer Turbine von der Höhe des örtlichen Geländes ab. Da gedruckte Betonfundamente in der Höhe variieren können, kann der 3D-Druck die Höhe der Turbinen an das örtliche Gelände anpassen und das Layout des Standorts optimieren. Das Verfahren würde auch die Transportkosten senken und neue Standorte für die Windenergieerzeugung erschließen.

Im April 2022 eröffnete GE Renewable Energy in Bergen, New York, eine neue Forschungseinrichtung, in der erforscht werden soll, wie der Betonsockel von Windkraftanlagen in 3D gedruckt werden kann.

Für die bahnbrechende Forschung wird ein neuartiger Drucker eingesetzt, der größte seiner Art, der mehr als 10 Tonnen Beton pro Stunde drucken kann. Es ist der erste 3D-Betondrucker mit zwei X-Achsen - eine für den Druck und eine für die Bewehrung.

GE Renewable Energy wird das Druckverfahren 2022 in Innenräumen testen und will im nächsten Jahr ein Turmsegment in Originalgröße im Freien drucken. Erste Anwendungen in der Praxis werden innerhalb der nächsten fünf Jahre erwartet.

• ERNEUERBARE ENERGIE

Die Größenordnung wird darüber entscheiden, wie schnell und erfolgreich der Energiesektor den Übergang von fossilen Brennstoffen zu einer 100 % nachhaltigen Energieversorgung vollzieht. Da der Energiebedarf so hoch ist wie nie zuvor, müssen Unternehmen im Bereich der erneuerbaren Energien Wege finden, um leistungsfähigere Produkte schneller und kostengünstiger herzustellen.

Kein Wunder, dass der 3D-Druck im Bereich der erneuerbaren Energien eine steile Wachstumskurve aufweist. 3D-gedruckte Solarpaneele beispielsweise sind nachweislich 20 % effizienter als herkömmliche, kosten aber in der Herstellung nur etwa halb so viel.

Einer der zeit- und arbeitsintensivsten Schritte bei der Herstellung einer Windturbine ist die Anfertigung eines Modells in Originalgröße, das für die Herstellung der Form verwendet wird. Derzeit wird erforscht, wie der 3D-Druck diesen Prozess verbessern kann.

Forscher des US-amerikanischen National Renewable Energy Laboratory sind einen Schritt weiter gegangen und haben ein Verfahren entwickelt, mit dem Windturbinenblätter aus thermoplastischen Kunststoffen in 3D gedruckt werden können. Mit dieser Methode lassen sich fortschrittliche Flügel herstellen, die leichter, länger, preiswerter und effizienter bei der Nutzung der Windenergie sind.

• BATTERIEN

Batteriespeichertechnologien ermöglichen es, Energie aus erneuerbaren Quellen zu speichern und bei Bedarf wieder abzugeben. Lithium-Ionen-Batterien, die in Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeugen zu finden sind, sind derzeit das gängigste und wirtschaftlichste Energiespeichersystem.  

Festkörperbatterien haben das Potenzial, eine leichtere, kleinere, schneller aufladbare, energiedichtere und sicherere Lösung zu bieten. Der 3D-Druck hilft dabei, diese Batterien effizienter, kostengünstiger und in großem Maßstab herzustellen.

Das Start-up-Unternehmen Sakuu hat vor kurzem im Silicon Valley eine neue Einrichtung für Batteriedruck und -entwicklung eröffnet. Die neue Einrichtung ermöglicht es Sakuu, seine 3D-Druck-Batterieplattform zu skalieren.

Nach Angaben des Unternehmens werden die dort hergestellten Festkörperbatterien bis zu 50 % kleiner und 30 % leichter sein als Lithium-Ionen-Batterien und in großen Stückzahlen wesentlich kostengünstiger zu produzieren sein.

 

Die in Seattle ansässige Ultra Safe Nuclear Corporation entwickelt einen mikro-modularen Reaktor, der kleiner, sicherer und einfacher zu installieren ist als ein herkömmliches Kernkraftwerk.

Der Schlüssel zu diesem Konzept ist keramikbeschichteter Brennstoff, bei dem der 3D-Druck eine wichtige Rolle spielt. Ultra Safe Nuclear umhüllt einen Standardtyp von Kernbrennstoffteilchen, der für seine Sicherheit bekannt ist, mit keramischem Material. So entsteht eine so genannte mikroverkapselte Brennstoffkugel. 

Traditionell werden diese Kugeln in eine weiche Graphitmatrix eingebettet. Diese Matrix weist jedoch Einschränkungen in Bezug auf Barriere und Festigkeit auf. Die Lösung bestand darin, diese Matrix durch keramisches Siliziumkarbid (SiC) zu ersetzen - eine technische Keramik, die häufig in der Luft- und Raumfahrt, für Panzerungen und Hochtemperaturanwendungen verwendet wird.

Die Bedingungen in einem Kernreaktor gehören zu den härtesten in der gesamten Industrie, doch SiC schrumpft nicht und quillt nicht übermäßig auf wie die traditionelle Graphitmatrix. Außerdem ist es sehr oxidations- und korrosionsbeständig, so dass es den anspruchsvollen Bedingungen im Kern eines Kernreaktors standhalten kann.

Das Problem mit SiC ist jedoch, dass es sich nur schwer herstellen oder zu komplexen Teilen formen lässt. Trotz des lang gehegten Wunsches, mit Siliziumkarbid zu arbeiten, gab es keine praktikable oder erschwingliche Methode, um SiC in die für nukleare Anwendungen erforderlichen Formen zu bringen.

Das hat sich dank der Desktop Metal Binder Jet 3D-Drucker und ihrer Fähigkeit, hitzebeständige Keramikpartikel aus Siliziumkarbid in einzigartigen, komplexen Geometrien zu drucken, geändert.

Ultra Safe Nuclear demonstriert derzeit MMR-Energiesysteme in den Canadian Nuclear Laboratories und an der University of Illinois und hat neue Projekte zum weiteren Einsatz seiner Technologie in den USA, Kanada und Europa gestartet.

• MANGELNDE VERTRAUTHEIT

Obwohl es immer mehr Anwendungsfälle gibt, ist der 3D-Druck im Energiesektor noch nicht zum Mainstream geworden - jedenfalls nicht im Bereich der Prototypen- und Modellherstellung. Diese Zeit könnte kommen, möglicherweise früher als erwartet, aber im Moment ist die Technologie gegenüber konventionellen Produktionsmethoden noch zweitrangig.

Ein strenger Zertifizierungs- und Teilequalifizierungsprozess ist integraler Bestandteil der Herstellung sicherheitskritischer Komponenten. Das Ersetzen bewährter und erprobter Produktionstechniken durch etwas Neues birgt ein Risiko, mit dem sich einige Unternehmen des Energiesektors nicht anfreunden können.

• GROSSE VOLUMEN

 In vielen Fällen kann der 3D-Druck einen einzelnen Artikel oder eine kleine Serie von Artikeln schneller und effizienter herstellen als herkömmliche Fertigungsverfahren. Allerdings kann jede Maschine nur eine bestimmte Anzahl von Objekten gleichzeitig drucken, was von der Maschinengröße und dem Objekt abhängt, und ist daher möglicherweise nicht die geeignetste oder kostengünstigste Methode für große Produktionsserien.

• TEILGRÖSSE

3D-Drucker haben inhärente Größenbeschränkungen, die es ihnen unmöglich machen, große Teile zu produzieren. In einigen Fällen können mehrere kleinere Teile zusammengefügt werden, was jedoch nicht immer eine ideale Lösung darstellt.

Die Hersteller von 3D-Druckern arbeiten daran, die Größenbeschränkungen bestehender Geräte zu überwinden, indem sie beispielsweise die Barrieren in den typischen Druckkammern beseitigen.