Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia tornaram-se os primeiros a imprimir em 3D grandes pás rotativas de turbinas a vapor para geração de energia em usinas de energia. Liderado pela parceira Siemens Technology, centro de pesquisa e desenvolvimento da Siemens AG nos EUA, o projeto demonstra que a fabricação aditiva de arco de arame (WAAM) é viável para a produção escalável de componentes críticos superiores a 25 libras. Essas peças são tradicionalmente fabricadas em instalações de fundição e forjamento que, em sua maioria, foram transferidas para o exterior.
“Agora percebemos que não podemos obter peças fundidas e forjadas de baixo volume que excedam 100 ou 200 libras da cadeia de fornecimento doméstica”, disse Michael Kirka, líder de pesquisa e líder do grupo de Ciência e Tecnologia de Deposição no ORNL. “Isso colocou-nos numa posição insustentável, especialmente quando vemos como os conflitos internacionais afectaram o movimento internacional de fornecimentos críticos.”
WAAM usa um arco elétrico para derreter fios de metal em um processo controlado por um braço robótico. Finas camadas de metal são gradualmente construídas no formato desejado. Depois de impressa, a peça é usinada para atender aos requisitos finais do projeto. A tecnologia de arco elétrico usada para fabricar as pás da turbina foi desenvolvida em colaboração com a Lincoln Electric sob um acordo cooperativo de pesquisa e desenvolvimento.
A fabricação de arco de arame é baseada na tecnologia de soldagem e, portanto, é facilmente utilizada para reparar peças existentes. Isto poderia permitir que empresas como a Siemens Energy, uma empresa irmã da Siemens que também é parceira no projeto, mantivessem e atualizassem mais facilmente equipamentos ao abrigo de contratos de serviço com empresas de eletricidade.
Quando a pesquisa de arco elétrico da Siemens começou em 2019, ela se concentrava no reparo de componentes. No entanto, o escopo se expandiu durante a pandemia de COVID-19, quando a espera por novas pás fundidas de turbinas a vapor se estendeu por dois anos. Depois, o projeto foi ampliado para incluir a impressão de peças de reposição inteiras, porque esses tipos de motores de turbina são versáteis o suficiente para serem usados em usinas de gás, carvão e energia nuclear, segundo Kirka.
Os pesquisadores do ORNL fizeram experiências com materiais e desenvolveram melhores maneiras de avaliar o desempenho mecânico de peças impressas. A grande pá da turbina a vapor, feita de liga de aço, foi o culminar desses esforços.
“A intenção original era imprimir apenas 25% da seção superior da lâmina”, disse Anand Kulkarni, principal especialista sênior da Siemens Technology. “Mas quando vimos o potencial da configuração do arco de arame no ORNL, pensamos que poderíamos fazer a lâmina inteira de uma só vez. A capacidade de digitalizar a peça enquanto ela estava sendo construída nos deu as informações corretas que poderiam ser fornecidas à nossa equipe de usinagem e nos permitiu reduzir o tempo de produção.”
Embora a espera por grandes peças fundidas e forjadas tenha diminuído para sete ou oito meses, a ORNL conseguiu imprimir a lâmina em 12 horas. Incluindo a usinagem, uma lâmina pode ser concluída em duas semanas.
Embora o arco de arame seja uma tecnologia de impressão 3D proeminente, ele não havia sido usado anteriormente para fazer um componente rotativo dessa escala, de acordo com Kirka. As pás da turbina normalmente não têm superfícies paralelas ou perpendiculares. Suas curvas contornadas se estreitam em direção à ponta. “Ser capaz de imprimir e finalizar algo sem recursos de localização é um desafio”, disse ele. Além disso, peças mais pesadas deste tamanho esfriam mais lentamente – adicionando sensibilidade à velocidade e ordem de depósito das camadas.
Depois de usinar a peça, a Siemens trabalha com o Electric Power Research Institute em avaliações e testes não destrutivos. “Ainda estamos analisando o lado das propriedades para ver como os resultados se comparam aos métodos tradicionais”, disse Kulkarni. No entanto, para reparações, as propriedades não têm de ser idênticas: o desafio atual é apenas manter os motores a funcionar e evitar tempos de inatividade. “Mas se a qualidade da peça for boa, isso abre portas para mais fabricação sob demanda, e este estudo de caso abre o caminho para componentes grandes.”
Uma vantagem importante da impressão 3D é que ela liberta as empresas da dependência de ferramentas de fabricação específicas que elas não controlam, como moldes feitos por uma única empresa de fundição para um único projeto. Muitos dos componentes de grande escala das turbinas atuais têm várias décadas, mas devido aos encerramentos e à deslocalização da indústria, as ferramentas que os criaram desapareceram efetivamente. A impressão 3D oferece uma alternativa mais confiável porque pode replicar qualquer design.
Outros pesquisadores do ORNL que contribuíram para o projeto, que foi financiado pelo DOE Office of Fossil Energy and Carbon Management, incluem Ryan Duncan, Luke Meyer, Chris Masuo, Chris Ledford, Patxi Fernandez-Zelaia, Andrzej Nycz, Sarah Graham e Andres Marquez. Rossi.
A lâmina da turbina a vapor foi impressa no Manufacturing Demonstration Facility (MDF) do DOE. O MDF, apoiado pelo Escritório de Materiais Avançados e Tecnologias de Fabricação do DOE, é um consórcio nacional de colaboradores que trabalham com o ORNL para inovar, inspirar e catalisar a transformação da manufatura dos EUA. Para saber mais sobre o processo acesse o site.
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