L'impression 3D dans le secteur de l'énergie

L'impression 3D, ou fabrication additive, est une technique de production qui crée un objet tridimensionnel à partir d'un fichier de conception assistée par ordinateur (CAO). Le terme recouvre plusieurs processus différents dans lesquels un ou plusieurs matériaux - généralement du plastique, du métal, de la cire ou un composite - sont déposés couche par couche pour construire une forme.

L'ensemble du processus est contrôlé par ordinateur, ce qui fait de l'impression 3D une méthode rentable, efficace et précise pour créer des objets de n'importe quelle géométrie ou complexité. Aujourd'hui, l'impression 3D est utilisée dans tous les secteurs industriels pour produire des prototypes, des outils, des gabarits, des composants et des pièces d'utilisation finale.

Les imprimantes 3D existent en différentes tailles, de la plus petite pour tenir sur une paillasse aux machines industrielles de grand format.

Les grandes imprimantes produisent des objets plus grands, mais les machines prennent plus de place et coûtent beaucoup plus cher que les imprimantes de table. Réussir une impression est également plus complexe sur une machine grand format en raison du volume de matériau et du temps d'impression nécessaires.

L'impression 3D apporte de nombreux avantages au secteur de l'énergie, notamment :

• Une rationalisation du développement des produits
• Une plus grande souplesse de conception
• Accélération de la mise sur le marché
• Produire des pièces plus légères et plus performantes 
• Minimiser le gaspillage de matières premières
• Consolidation de pièces auparavant séparées en une seule unité
• Optimiser la gestion des stocks et de la chaîne d'approvisionnement

Le secteur de l'énergie évolue régulièrement vers des sources plus renouvelables et durables telles que l'énergie éolienne, solaire, marémotrice, hydraulique, géothermique et la biomasse. Pendant cette transition, de nombreux pays continueront à consommer de l'énergie produite par la combustion de combustibles fossiles comme le pétrole, le gaz naturel et le charbon.

L'impression 3D est la clé pour accélérer l'adoption des énergies renouvelables et contribuer à rendre les sources d'énergie traditionnelles plus propres dans l'intervalle. Le secteur de l'énergie s'y est mis. Vous pouvez désormais trouver des laboratoires d'impression 3D chez la plupart des grands acteurs, notamment BP Global, Chevron, Exxon Mobil, GE Power et Shell Global.

La technologie est également utilisée par des start-ups et des perturbateurs du marché, qu'il s'agisse d'entreprises de distribution d'énergie, de spin-offs universitaires ou de fabricants de batteries.

Pourtant, l'utilisation de l'impression 3D dans le secteur de l'énergie est relativement faible par rapport à l'automobile, l'aérospatiale et la santé. Les entreprises du secteur de l'énergie utilisent principalement l'impression 3D pour le prototypage rapide et la modélisation plutôt que pour la fabrication de pièces finales.

Cette situation est toutefois en train de changer, à mesure que le secteur de l'énergie se familiarise avec la technologie d'impression 3D et les nombreux avantages qu'elle peut offrir. L'éventail des cas d'utilisation potentiels s'élargit également grâce à la recherche de nouveaux matériaux et procédés d'impression 3D.

En outre, des initiatives sont en cours pour développer les normes industrielles, les processus d'assurance qualité et la certification nécessaires pour que les pièces imprimées en 3D puissent être utilisées dans des environnements exigeants tels qu'une plate-forme pétrolière offshore ou un parc éolien.

Par conséquent, nous sommes susceptibles de voir une utilisation beaucoup plus importante de l'impression 3D dans le secteur de l'énergie dans un avenir proche. 

Duncan Machine Products (DMP), basée en Oklahoma, est une entreprise d'usinage de précision à service complet qui est devenue un fournisseur clé de l'industrie pétrolière et gazière.

En réponse à la demande croissante de ses clients pour des pièces plus performantes et des délais plus courts, DMP s'est associée à Velo3D pour fabriquer des pièces industrielles imprimées en 3D.

Les imprimantes de Velo3D sont connues pour produire des pièces de haute qualité avec des géométries à angle faible sans structures de support. Cela permet aux entreprises comme DMP de répondre à un plus grand nombre de projets, car les clients n'ont pas besoin de redessiner les pièces.

DMP a déjà reçu des commandes pour l'impression 3D d'un minimum de 1 500 pièces pour des outils de fond de puits utilisés dans l'exploration onshore et offshore ; une commande qui pourrait être multipliée par 10 dans les 24 prochains mois.

Les conditions dans lesquelles les outils de fond de puits doivent fonctionner sont hostiles et comprennent des situations de pression extrême et de haute température, ce qui nécessite une solution de fabrication robuste et fiable. 

Pour ce programme spécifique, DMP utilise la fabrication additive métallique (AM) pour remplacer le moulage à la cire perdue comme processus de fabrication.

Selon un porte-parole de DMP, la fabrication additive métallique est très compatible avec l'industrie pétrolière et gazière, compte tenu de ses exigences techniques complexes. Cette technologie permet également de réduire les coûts, d'améliorer la qualité et de réduire les délais de livraison.

• PROTOTYPAGE RAPIDE

Les prototypes, qu'il s'agisse de simples maquettes ou de modèles réduits détaillés, sont un élément essentiel du développement de produits. Les modèles conceptuels de première étape permettent aux ingénieurs de valider une conception et de voir comment les différents composants interagissent entre eux. Cela permet de mettre en évidence les problèmes potentiels plus tôt dans le processus de fabrication et de s'assurer que le projet final est conforme aux spécifications de la conception.

Auparavant, les prototypes étaient fabriqués à la main ou créés à l'aide de moules qui devaient également être conçus et fabriqués, souvent par une société externe. Ce processus était coûteux et pouvait prendre des semaines, voire des mois. 

L'impression 3D comprime le cycle de développement du produit en permettant de concevoir et d'imprimer des pièces en une fraction du temps et du coût des méthodes de fabrication traditionnelles.

La réduction du temps entre les affinements de la conception permet de réaliser davantage de tests dans un laps de temps identique ou plus court. Les entreprises peuvent ainsi accélérer la mise sur le marché et garder une longueur d'avance sur leurs concurrents.

La rapidité, la précision et le caractère abordable des modèles imprimés en 3D rendent également la construction de nouveaux projets énergétiques plus rapide et plus efficace. Par exemple, le projet pétrolier et gazier en eau profonde Stones est le plus profond du monde. Il est exploité par 2 900 mètres d'eau dans une zone du golfe du Mexique aux États-Unis.

L'infrastructure sous-marine pompe le pétrole et le gaz depuis le fond de la mer jusqu'à un navire flottant de production, de stockage et de déchargement (FPSO). L'impression 3D a aidé l'équipe du projet Stones à prototyper le système qui reliera le FPSO aux pipelines du fond marin. Cela leur a permis de faire la démonstration du système aux autorités américaines qui devaient approuver son utilisation pour la première fois dans la région.

• PIÈCES DE PRODUCTION

L'impression 3D est utilisée pour produire une gamme croissante de composants critiques de grande valeur pour le secteur de l'énergie. En particulier ceux de grande complexité et/ou requis en faible volume, ce qui rend les techniques de fabrication traditionnelles inadaptées. 

Il s'agit notamment des tuyères de turbines à gaz, des impulseurs, des pistons, des pompes, des rotors et des pièces pour les vannes de régulation, les débitmètres, les échangeurs de chaleur et les manomètres.

Beaucoup de ces composants fonctionnent dans des environnements difficiles et doivent résister à des contraintes mécaniques et thermiques extrêmes. Cela signifie que les pièces imprimées en 3D pour le secteur de l'énergie sont généralement fabriquées à partir d'un métal ou d'un alliage plutôt que de plastique ou de résine.

Seule une poignée de composants d'utilisation finale ont jusqu'à présent été approuvés pour être utilisés dans le secteur de l'énergie. La production d'énergie est un élément vital de la vie quotidienne, et une défaillance matérielle constitue une menace potentielle grave pour les personnes, la faune et l'environnement.

Par conséquent, les entreprises du secteur de l'énergie et les organismes de réglementation sont peu enclins à prendre des risques lorsqu'il s'agit de remplacer des méthodes éprouvées par de nouvelles solutions, malgré les avantages qu'elles offrent. Cette situation pourrait changer à mesure que l'impression 3D gagne en confiance et que des normes spécifiques au secteur sont publiées.

• PIÈCES DE RECHANGE ET RÉPARATIONS POUR LA MAINTENANCE

Les temps d'arrêt sont un problème sérieux dans toute industrie, mais particulièrement dans le secteur de l'énergie. On estime que seulement 1 % des temps d'arrêt, soit 3,65 jours, coûte aux entreprises pétrolières et gazières 6,6 millions de dollars par an. Les sociétés offshore enregistrent en moyenne près d'un mois de temps d'arrêt non planifié, soit 27 jours, ce qui leur coûte près de 50 millions de dollars par an. On estime que près de la moitié des temps d'arrêt non planifiés sont dus à une forme de panne ou de dysfonctionnement du matériel.

Le coût élevé des temps d'arrêt signifie que les entreprises du secteur de l'énergie ont toujours été obligées de stocker de grandes quantités de composants à grands frais.

Au lieu de cela, elles ont besoin d'un moyen d'accéder aux pièces de rechange de manière fiable et rapide aux actifs situés dans des endroits éloignés, sans avoir à stocker ou à concevoir et qualifier une nouvelle pièce à partir de zéro.

C'est là que la rapidité, la flexibilité et l'efficacité de l'impression 3D portent vraiment leurs fruits. Des pièces fiables peuvent être imprimées à la demande sur des sites distants ou à proximité. Le processus est beaucoup plus rapide et plus rentable que le stockage des stocks ou que la conception et la qualification d'une nouvelle pièce. Il n'est pas non plus nécessaire de passer des commandes de production minimum.

Cela permet d'optimiser les niveaux de stock et d'éliminer la nécessité de maintenir des installations de stockage. Les composants difficiles à obtenir ou obsolètes peuvent également être numérisés et reconçus pour l'impression 3D. Cela permet de réaliser des économies de temps, de coûts et de main-d'œuvre, et donne souvent lieu à des pièces plus légères et plus performantes.   

Des turbines plus hautes et plus puissantes pourraient contribuer à accroître l'efficacité et la production d'énergie d'un parc éolien. Mais il existe des limites à la puissance des éoliennes terrestres. Les générateurs plus grands nécessitent des tours plus hautes, plus solides et plus substantielles. Cela représente un goulot d'étranglement pour la croissance future de l'industrie éolienne.

Les tours d'éoliennes traditionnelles sont fabriquées à partir de tubes d'acier préfabriqués transportés sur des camions à plateau et soudés sur place. Le transport par route limite la taille de ces tours à environ 14 pieds de diamètre. Si elles sont plus grandes, elles deviennent trop larges pour être utilisées sur de nombreuses routes.

L'impression 3D des fondations de la tour à partir de béton sur place permettrait d'élargir la base et de la rendre suffisamment solide pour supporter une turbine plus haute et plus puissante.

En outre, l'efficacité d'une éolienne dépend de la hauteur du terrain local. Comme les bases en béton imprimées peuvent varier en hauteur, l'impression 3D peut optimiser la hauteur des éoliennes en fonction du terrain local et maximiser l'aménagement du site. Cette méthode permettrait également de réduire les coûts de transport et d'ouvrir de nouveaux sites pour la production éolienne.

En avril 2022, GE Renewable Energy a ouvert un nouveau centre de recherche à Bergen, dans l'État de New York, qui étudiera comment imprimer en 3D la base en béton des tours utilisées dans les éoliennes.

Cette recherche pionnière utilisera un nouveau type d'imprimante, la plus grande de son genre, capable d'imprimer plus de 10 tonnes de béton par heure. Il s'agit de la première imprimante à béton 3D dotée de deux axes X - l'un pour l'impression et l'autre pour le renforcement.

GE Renewable Energy testera le processus d'impression à l'intérieur en 2022 et a pour objectif d'imprimer un segment de tour à l'échelle réelle à l'extérieur l'année prochaine. Les premières applications sur le terrain sont attendues dans les cinq prochaines années.

• ÉNERGIE RENOUVELABLE

L'échelle déterminera la rapidité et le succès de la transition du secteur de l'énergie des combustibles fossiles vers une source d'énergie 100 % durable. La demande d'énergie n'ayant jamais été aussi élevée, les entreprises du secteur des énergies renouvelables doivent trouver des moyens de fabriquer des produits plus performants, plus rapidement et de manière plus rentable.

Il n'est pas étonnant que l'impression 3D dans le secteur des énergies renouvelables connaisse une forte croissance. Il a été prouvé, par exemple, que les panneaux solaires imprimés en 3D sont 20 % plus efficaces que les panneaux traditionnels, tout en étant deux fois moins chers à fabriquer.

L'une des étapes les plus longues et les plus laborieuses de la fabrication d'une éolienne est la réalisation de la maquette grandeur nature d'une pale utilisée pour fabriquer le moule. Des recherches sont en cours pour étudier comment l'impression 3D peut améliorer ce processus.

Des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory des États-Unis sont allés plus loin et ont mis au point un moyen d'imprimer en 3D des pales d'éoliennes en utilisant des thermoplastiques. Cette méthode permet de créer des pales avancées, plus légères, plus longues, moins coûteuses et plus efficaces pour capter l'énergie éolienne.

• BATTERIES

Les technologies de stockage par batterie permettent de stocker l'énergie provenant de sources renouvelables et de la libérer lorsqu'elle est nécessaire. Les batteries lithium-ion, que l'on trouve dans les smartphones, les ordinateurs portables et les véhicules électriques, sont actuellement le système de stockage d'énergie le plus courant et le plus viable économiquement.  

Les batteries à l'état solide ont le potentiel d'offrir une solution plus légère, plus petite, plus rapide à charger, plus dense en énergie et plus sûre. L'impression 3D permet de produire ces batteries de manière plus efficace, plus rentable et à plus grande échelle.

La start-up Sakuu a récemment ouvert un nouveau centre d'impression et d'ingénierie de batteries dans la Silicon Valley. Ces nouvelles installations permettront à Sakuu de développer sa plateforme d'impression 3D de batteries.

Selon l'entreprise, les batteries à l'état solide qui y seront produites seront jusqu'à 50 % plus petites et 30 % plus légères que les batteries au lithium-ion et beaucoup moins coûteuses à produire en grande quantité.

 

La société Ultra Safe Nuclear Corporation, basée à Seattle, met au point un microréacteur modulaire plus petit, plus sûr et plus facile à déployer qu'une centrale nucléaire traditionnelle.

La clé de son approche est le combustible à revêtement céramique, pour lequel l'impression 3D joue un rôle essentiel. Ultra Safe Nuclear entoure d'un matériau céramique un type standard de particule de combustible nucléaire connu pour sa sécurité. Cela produit ce que l'on appelle une sphère de combustible micro-encapsulée. 

Traditionnellement, ces sphères sont placées dans une matrice graphitique souple. Cependant, cette matrice présente des limites en termes de barrière et de résistance. La solution consistait à remplacer cette matrice par une céramique en carbure de silicium (SiC) - une céramique technique souvent utilisée dans l'aérospatiale, les blindages et les applications à haute température.

Les conditions à l'intérieur d'un réacteur nucléaire sont parmi les plus difficiles de toute l'industrie, mais le SiC ne se rétracte pas et ne gonfle pas excessivement comme la matrice graphitique traditionnelle. Il est également très résistant à l'oxydation et à la corrosion, ce qui lui permet de supporter les conditions exigeantes du cœur du réacteur nucléaire.

Le problème avec le SiC, cependant, est qu'il s'agit d'un matériau difficile à fabriquer ou à former en pièces complexes. Malgré un désir de longue date de travailler avec le carbure de silicium, il n'existait pas de méthode viable ou abordable pour transformer le SiC dans les formes requises pour les applications nucléaires.

Cela a changé grâce aux imprimantes 3D à jet de liant Desktop Metal et à leur capacité à imprimer en 3D des particules céramiques résistantes à la chaleur en carbure de silicium dans des géométries uniques et complexes.

Ultra Safe Nuclear fait actuellement la démonstration de systèmes énergétiques MMR aux Laboratoires nucléaires canadiens et à l'Université de l'Illinois et a lancé de nouveaux projets pour poursuivre le déploiement de sa technologie aux États-Unis, au Canada et en Europe.

• LE MANQUE DE FAMILIARITÉ

Bien que les cas d'utilisation se multiplient, l'impression 3D dans le secteur de l'énergie n'est pas encore généralisée, en tout cas pas en dehors du prototypage et du modélisme. Ce temps viendra peut-être, peut-être plus tôt que prévu, mais pour l'instant, la technologie reste secondaire par rapport aux méthodes de production plus conventionnelles.

Un processus rigoureux de certification et de qualification des pièces fait partie intégrante de la fabrication de composants critiques pour la sécurité. Remplacer des techniques de production éprouvées par quelque chose de nouveau comporte un niveau de risque avec lequel certaines entreprises du secteur de l'énergie ne sont pas à l'aise.

• GROS VOLUMES

Dans de nombreux cas, l'impression 3D peut produire un seul article ou un petit lot d'articles plus rapidement et plus efficacement que les méthodes de fabrication traditionnelles. Cependant, chaque machine ne peut imprimer qu'un nombre déterminé d'objets à la fois, en fonction de la taille de la machine et de l'objet, ce qui peut ne pas être la méthode la plus adaptée ou la plus rentable pour les grandes séries de production.

• TAILLE DES PIÈCES

Les imprimantes 3D ont des contraintes de taille inhérentes qui les rendent incapables de produire des composants de grande taille. Dans certains cas, il est possible d'assembler plusieurs petites pièces, mais ce n'est pas toujours la solution idéale.

Les fabricants d'imprimantes 3D s'efforcent de remédier aux limites de taille des machines existantes, par exemple en supprimant les obstacles présents dans les chambres d'impression typiques.