De acordo com o Oak Ridge National Laboratory (ORNL) do Departamento de Energia dos EUA, um programa de fabricação exclusivo para grandes peças de metal promete ajudar a revitalizar a fabricação americana e retornar tecnologias de fabricação de energia limpa para os Estados Unidos. A abordagem pode reduzir muito os tempos de espera para componentes críticos e permitir o crescimento econômico no setor de fabricação de energia.
O projeto, Rapid Research on Universal Near Net Shape Fabrication Strategies for Expedited Runner Systems, ou Rapid RUNNERS, recebeu financiamento do DOE de US$ 15 milhões ao longo de três anos para criar um sistema para produzir os grandes corredores usados em represas para energia hidrelétrica. Um corredor é a parte rotativa de uma turbina hidrelétrica que permite que a pressão e o movimento da água sejam convertidos em eletricidade.
O projeto produzirá corredores usando impressão 3D de metal robótica combinada com ferramentas convencionais – todas produzidas domesticamente. “Isso tem o potencial de transformar a forja e a fundição de componentes de metal em larga escala”, disse Adam Stevens, membro da equipe de P&D da ORNL e líder técnico do projeto.
Esses grandes componentes metálicos são produzidos quase exclusivamente no exterior e, quando falham, pode levar anos para fabricar e receber substituições – resultando em perda de tempo, dinheiro e energia renovável. Para cada mês em que uma turbina hidrelétrica fica parada esperando por componentes, milhares de megawatts-hora de eletricidade renovável são perdidos. No entanto, os métodos de AM podem produzir rapidamente componentes metálicos quase líquidos, com técnicas de usinagem tradicionais sendo usadas para finalizar o formato – reduzindo o desperdício e o tempo de inatividade em comparação aos processos existentes.
“Atualmente, leva cerca de 18 meses para produzir uma dessas. Se você não consegue operar uma turbina hidrelétrica porque está esperando por uma peça, são 18 meses de energia limpa que você não está gerando. Essa abordagem pode preencher a lacuna na base industrial doméstica”, disse Stevens.
A manufatura convergente fornece um caminho para atingir o formato líquido desejado ao incorporar a usinagem e o acabamento necessários no processo de AM. As turbinas usadas para energia hidrelétrica têm projetos complexos e são complicadas de produzir, exigindo atualmente meses de soldagem e acabamento manuais.
Brian Post, líder do grupo Disruptive Manufacturing Systems Development do ORNL, e Jay Tiley, chefe da Seção de Estruturas e Processamento de Materiais do laboratório, são os principais investigadores do projeto para sistemas e materiais, respectivamente. A Manufacturing Demonstration Facility do ORNL está fornecendo recursos e experiência. O MDF, apoiado pelo Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office do DOE, é o centro de um consórcio nacional de colaboradores trabalhando com o ORNL para inovar, inspirar e catalisar a transformação da manufatura dos EUA.
Para demonstrar a capacidade do sistema de fabricação, o programa fabricará três Francis runners, um estilo particular de grandes turbinas de aço inoxidável usadas em represas para gerar energia hidrelétrica. O primeiro runner é um protótipo a ser usado para testes. O segundo, com cerca de 5 pés de diâmetro, está sendo feito para instalação potencial na Ocoee Dam da Tennessee Valley Authority em Parksville. A Ocoee Dam é uma represa hidrelétrica de 840 pés de largura e 135 pés de altura que atravessa o Rio Ocoee com cinco unidades geradoras que produzem 24 megawatts de eletricidade.
O terceiro Francis Runner será fabricado para instalação potencial na Wilson Dam da TVA, que tem 21 unidades geradoras produzindo 653 megawatts de eletricidade. A turbina terá cerca de 15 pés de diâmetro, 8 pés de altura e pesará mais de 46 toneladas. A TVA, sediada em Knoxville, Tennessee, é a maior empresa pública de energia do país – operando 113 geradores de energia em 29 represas.
“Estamos sempre buscando novas maneiras de fazer as coisas melhor. A inovação faz parte do DNA da TVA, e é algo em que focamos em tudo o que fazemos”, disse Joe Hoagland, vice-presidente de inovação e pesquisa da TVA. “Este programa oferece uma maneira inovadora de cumprirmos a missão da TVA resumida por três ‘E’s: para energia, melhora a confiabilidade, para o meio ambiente, maximiza a energia renovável produzida, e para o desenvolvimento econômico, traz grandes empregos de volta aos EUA.”
Central para o programa é o software que permite que robôs produzam as peças – trabalhando coletivamente para usar AM em taxas maiores em formas maiores do que qualquer sistema individual. O sistema imaginado tem um robô designado para uma tarefa, como soldagem a arco de arame, retificação, metrologia e outras funções necessárias tradicionalmente feitas por trabalhadores em grandes fundições e instalações de fabricação. O sistema pode ter seis ou mais robôs convergindo para o sistema ao mesmo tempo.
A produção tradicional desses corredores, todos no exterior, leva muito tempo e é muito trabalhosa, de acordo com Curt Jawdy, chefe de P&D da TVA. “Todas essas fundições têm um backlog bem grande, e descobrimos que leva dois anos do momento em que fazemos um pedido até o momento em que recebemos um corredor.”
A TVA espera que, eventualmente, muitas de suas turbinas e componentes de aço (neste caso, aço inoxidável 410) sejam produzidos domesticamente por processos AM. Os corredores hidráulicos têm áreas propensas à cavitação que podem fazer com que as turbinas falhem devido à erosão das superfícies das palhetas sob a força cumulativa de milhões de bolhas de ar em colapso, mas quando produzidos com AM, um revestimento resistente à cavitação pode ser aplicado. “Você pode fazer coisas com manufatura aditiva que não pode fazer de outra forma. Existem formas que você pode fazer que não seria capaz de fazer de outra forma, e você pode combinar materiais”, disse Jawdy.
Este programa abrange o desenvolvimento de software, hardware, robótica e estratégias de fabricação necessárias para produzir esses grandes componentes. Em parceria com o ORNL no desenvolvimento estão várias organizações, além da TVA, incluindo a Huntington Ingalls-Newport News Shipbuilding, onde o maior Francis Runner será impresso em 3D; o Electric Power Research Institute, contribuindo para análises técnico-econômicas; a Open Mind Technologies, auxiliando no desenvolvimento de estratégias de fabricação; a ARC Specialties, fornecendo hardware robótico e integração; e a Voith Group-Hydropower, uma fabricante de unidades hidrelétricas.
No final do prazo de três anos, o projeto terá criado uma nova plataforma de fabricação híbrida distribuída que pode ser usada por muitas indústrias, “que permitirá a produção doméstica de componentes de forma líquida em escala de infraestrutura para energia, defesa, construção naval, energia hidrelétrica e abastecimento de água municipal – qualquer indústria que exija uma grande peça de metal pode se beneficiar disso”, disse Stevens. “Isso aumentará a produtividade dos trabalhadores e fornecerá uma base industrial doméstica mais saudável”. Para saber mais acesse o site.
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