Grandi parti, grandi obiettivi energetici

La produzione additiva (AM) offre nuovi approcci che potrebbero dare vento alle vele del settore americano dell’energia pulita, che deve incrementare la produzione di componenti di grandi dimensioni per apparecchiature eoliche, nucleari e idroelettriche.

Gli obiettivi aggressivi in ​​materia di energia rinnovabile stanno espandendo i mercati dell’energia pulita, ma attualmente la domanda supera le capacità produttive nazionali.

Affrontare queste lacune diventa una nuova urgenza poiché gli Stati Uniti cercano di soddisfare il 35% del proprio fabbisogno di elettricità attraverso l’energia eolica entro il 2050, oltre tre volte e mezzo il contributo dell’energia eolica oggi.

Affrontare questa scoraggiante sfida della catena di fornitura richiede capacità che attualmente non esistono e le tecniche di produzione additiva, spesso considerate per parti piccole e complesse, potrebbero essere la chiave per sbloccare il potenziale di produzione statunitense di questi enormi componenti metallici. Per rendere questo una realtà per le turbine eoliche, sono necessari ulteriori passi avanti per aumentare i tassi di deposizione dei metalli nell’AM e ridurre il costo del materiale stampato.

Le fusioni su scala industriale, come quelle in acciaio che superano le 10 tonnellate, rappresentano un punto di strozzatura nell’incremento della produzione di parti di turbine eoliche, tra cui mozzi di rotori, piastre di base e telai di supporto. La scala è vasta e cresce sia in termini di dimensioni che di peso poiché il settore continua ad espandersi nelle turbine eoliche offshore.

I costi di manodopera legati alla fusione in sabbia di componenti metallici di grandi dimensioni hanno spinto i produttori statunitensi ad iniziare ad acquistarli da fonti straniere anni fa.

Solo una fonderia americana è ancora in grado di gestire le parti più grandi necessarie per l’energia eolica offshore, con una capacità statunitense limitata di lavorarle nella loro forma finale. Attualmente, i tempi di approvvigionamento vanno da sei mesi a più di un anno per l'approvvigionamento di componenti metallici critici di grandi dimensioni. Spedirli dall’estero crea una grande impronta di carbonio, oltre ad essere costoso e lento. La dipendenza da componenti stranieri crea anche il potenziale per un singolo punto di fallimento nella catena di approvvigionamento dell’energia eolica americana.

Un’alternativa è produrre in modo additivo queste parti di grandi dimensioni, quindi rifinirle utilizzando macchine utensili automatizzate guidate da un software di produzione computerizzato. I vantaggi sono chiari: l’AM offre maggiore flessibilità e complessità di progettazione rispetto alla fusione tradizionale e le strategie di ottimizzazione della topologia consentite dalla stampa 3D possono offrire una significativa riduzione del peso.

Le stampanti multiasse possono ruotare una parte per stampare porzioni diverse e raggiungere angoli diversi, evitando problemi di distorsione gravitazionale che hanno limitato i progetti in passato. Combinando la stampa multiasse e fuori piano con più teste di deposizione robotizzate, la gamma di geometrie che possono essere prodotte viene notevolmente ampliata.

A differenza della fusione convenzionale, questo tipo di stampa 3D consente la creazione di caratteristiche interne complesse come strutture reticolari, linee idrauliche integrate e percorsi di cavi elettrici. Riduce inoltre i tempi di stampa suddividendo la fabbricazione tra più sistemi che lavorano simultaneamente sullo stesso oggetto.

Un sistema AM chiamato MedUSA presso il Manufacturing Demonstration Facility (MDF) del Dipartimento dell’Energia presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) utilizza tre robot, ciascuno con sei gradi di libertà di movimento.

MedUSA può stampare più di 54 libbre di metallo all'ora o stampare con materiali diversi contemporaneamente. Le parti prodotte richiedono attrezzature personalizzate minime rispetto alle parti prodotte in modo tradizionale, anche se di solito è ancora necessaria la finitura.

Presto verrà installata una grande macchina utensile che lavorerà in tandem con MedUSA, rifinendo le parti stampate per adattarsi alle esatte tolleranze del progetto. Pochissimi stabilimenti al mondo possono offrire questa combinazione di capacità per componenti di grandi dimensioni. Poiché gran parte del processo è automatizzato, i costi di manodopera sono molto inferiori rispetto alla fusione tradizionale.

"La nostra ricerca sta esaminando il modo in cui si intreccia la produzione additiva con la fase di finitura del metallo, in modo che lavorino insieme in modo efficiente", ha affermato Joshua Vaughan, ricercatore dell'ORNL. "Come si stampano le parti in modo che siano facilmente rifinite per un'applicazione finale e quali vantaggi offre?"