La impresión 3D en el sector energético

La impresión 3D, o fabricación aditiva, es una técnica de producción que crea un objeto tridimensional a partir de un archivo de diseño asistido por ordenador (CAD). El término abarca varios procesos diferentes en los que uno o más materiales -por lo general, plástico, metal, cera o material compuesto- se depositan capa a capa para construir una forma.

Todo el proceso se controla por ordenador, lo que convierte a la impresión 3D en un método rentable, eficiente y preciso para crear objetos de casi cualquier geometría o complejidad. En la actualidad, la impresión 3D se utiliza en todos los sectores para producir desde prototipos, herramientas y plantillas hasta componentes y piezas de uso final.

Las impresoras 3D vienen en varios tamaños, desde las más pequeñas que caben en una mesa hasta las máquinas industriales de gran formato.

Las impresoras grandes producen objetos más grandes, pero las máquinas ocupan más espacio y cuestan bastante más que las impresoras de sobremesa. Lograr una impresión satisfactoria también es más complejo en una máquina de gran formato debido al volumen de material y al tiempo de impresión que conlleva.

La impresión 3D aporta muchas ventajas al sector energético, entre ellas

• Agilización del desarrollo de productos
• Mayor flexibilidad de diseño
• Acelerar el tiempo de comercialización
• Producción de piezas más ligeras y de mayor rendimiento 
• Minimizar el desperdicio de materia prima
• Consolidación de piezas anteriormente separadas en una sola unidad
• Optimizar la gestión del inventario y de la cadena de suministro

El sector de la energía está evolucionando constantemente hacia fuentes más renovables y sostenibles, como la eólica, la solar, la mareomotriz, la hidráulica, la geotérmica y la biomasa. Mientras se produce esta transición, muchos países seguirán consumiendo energía producida por la quema de combustibles fósiles como el petróleo, el gas natural y el carbón.

La impresión 3D es la clave para acelerar la adopción de las energías renovables y ayudar a que las fuentes de energía tradicionales sean más limpias mientras tanto. Algo a lo que el sector energético se ha sumado. Ahora se pueden encontrar laboratorios de impresión 3D en la mayoría de los actores clave, como BP Global, Chevron, Exxon Mobil, GE Power y Shell Global.

La tecnología también está siendo utilizada por empresas de nueva creación y disruptores del mercado, desde compañías de distribución de energía y spin-outs universitarios hasta fabricantes de baterías.

Sin embargo, el uso de la impresión 3D en el sector energético es relativamente escaso en comparación con la automoción, la industria aeroespacial y la sanidad. Las empresas energéticas utilizan la impresión 3D principalmente para la creación rápida de prototipos y el modelado, más que para la fabricación de piezas finales.

Sin embargo, esta situación está cambiando a medida que el sector energético se familiariza con la tecnología de impresión 3D y las numerosas ventajas que puede aportar. La gama de posibles casos de uso también se está ampliando gracias a la investigación de nuevos materiales y procesos de impresión 3D.

Además, se están llevando a cabo iniciativas para desarrollar las normas industriales, los procesos de garantía de calidad y la certificación necesarios para que las piezas impresas en 3D se utilicen en entornos exigentes, como una plataforma petrolífera en alta mar o un parque eólico.

Como resultado, es probable que veamos un uso mucho mayor de la impresión 3D en el sector energético en un futuro próximo.  

 

Duncan Machine Products (DMP), con sede en Oklahoma, es una empresa de mecanizado de precisión de servicio completo que se ha convertido en un proveedor clave para la industria del petróleo y el gas.

En respuesta a la creciente demanda de los clientes de aumentar el rendimiento de las piezas y reducir los plazos de entrega, DMP se ha asociado con Velo3D para fabricar piezas industriales impresas en 3D.

Las impresoras de Velo3D son conocidas por producir piezas de alta calidad con geometrías de bajo ángulo sin estructuras de soporte. Esto ayuda a empresas como DMP a ofertar una mayor cartera de proyectos, ya que los clientes no necesitan rediseñar las piezas.

DMP ya ha recibido pedidos para imprimir en 3D un mínimo de 1.500 piezas para herramientas de fondo de pozo utilizadas en la exploración terrestre y marítima; un pedido que podría multiplicarse por 10 en los próximos 24 meses.

Las condiciones en las que deben funcionar las herramientas de fondo de pozo son hostiles e incluyen situaciones de presión extrema y alta temperatura, lo que requiere una solución de fabricación robusta y fiable. 

Para este programa específico, DMP está utilizando la fabricación aditiva (AM) de metales para sustituir el proceso de fabricación por fundición a la cera perdida.

Según un portavoz de DMP, la AM metálica es muy compatible con el sector del petróleo y el gas, dados sus complejos requisitos de ingeniería. La tecnología también ayuda a reducir costes, mejorar la calidad y reducir los plazos de entrega.

 

• CREACIÓN RÁPIDA DE PROTOTIPOS

Los prototipos, ya sean simples maquetas o modelos detallados a escala, son una parte vital del desarrollo de productos. Los modelos conceptuales de las primeras fases permiten a los ingenieros validar un diseño y ver cómo interactúan los distintos componentes entre sí. Esto ayuda a poner de manifiesto posibles problemas en una fase más temprana del proceso de fabricación y garantiza que el proyecto final se ajuste a las especificaciones del diseño.

Antes, los prototipos se hacían a mano o se creaban con moldes que también había que diseñar y fabricar, a menudo por una empresa externa. Este proceso era caro y podía llevar semanas o incluso meses. 

La impresión 3D comprime el ciclo de desarrollo del producto al permitir que las piezas se diseñen e impriman en una fracción del tiempo y el coste de los métodos de fabricación tradicionales.

La reducción del tiempo entre los perfeccionamientos del diseño permite realizar más pruebas en el mismo período o en uno más corto. Esto permite a las empresas acelerar el tiempo de comercialización y adelantarse a la competencia.

La velocidad, la precisión y la asequibilidad de los modelos impresos en 3D también están haciendo que la construcción de nuevos proyectos energéticos sea más rápida y eficiente. Por ejemplo, el proyecto de petróleo y gas en aguas profundas de Stones es el más profundo del mundo, ya que opera en 2.900 metros de agua en una zona del Golfo de México de Estados Unidos.

La infraestructura submarina bombea petróleo y gas desde el fondo marino hasta un buque flotante de producción, almacenamiento y descarga (FPSO). La impresión 3D ayudó al equipo del proyecto Stones a crear un prototipo del sistema que conectará la FPSO con las tuberías del fondo marino. Esto les permitió demostrar el sistema a las autoridades estadounidenses, que debían aprobar su uso por primera vez en la región.

• PIEZAS DE PRODUCCIÓN

La impresión 3D se utiliza para producir una gama cada vez mayor de componentes críticos de alto valor para el sector energético. Sobre todo los de alta complejidad y/o que se requieren en bajo volumen, lo que hace que las técnicas de fabricación tradicionales no sean adecuadas. 

Entre ellos se encuentran las toberas de las turbinas de gas, los impulsores, los pistones, las bombas, los rotores y las piezas de las válvulas de control, los caudalímetros, los intercambiadores de calor y los manómetros.

Muchos de estos componentes funcionan en entornos difíciles y deben soportar tensiones mecánicas y de temperatura extremas. Esto significa que las piezas impresas en 3D para el sector energético suelen estar hechas de un metal o una aleación en lugar de plástico o resina.

Hasta ahora, sólo un puñado de componentes de uso final han sido aprobados para su uso en el sector energético. La generación de energía es una parte vital de la vida cotidiana, y un fallo del hardware supone una grave amenaza potencial para las personas, la fauna y el medio ambiente.

Por ello, las empresas energéticas y los organismos reguladores se muestran reacios al riesgo cuando se trata de sustituir métodos probados por nuevas alternativas, a pesar de las ventajas que ofrecen. Esto podría cambiar a medida que la impresión 3D adquiera más confianza y se publiquen normas específicas del sector.

• REPUESTOS Y REPARACIONES DE MANTENIMIENTO

El tiempo de inactividad es un problema grave en cualquier industria, pero especialmente en el sector energético. Se calcula que un 1% de tiempo de inactividad, 3,65 días, cuesta a las empresas de petróleo y gas 6,6 millones de dólares al año. Las empresas de alta mar tienen una media de casi un mes de tiempo de inactividad no planificado, 27 días, lo que les cuesta casi 50 millones de dólares al año. Se cree que casi la mitad de los tiempos de inactividad no planificados están causados por algún tipo de fallo o mal funcionamiento del hardware.

El elevado coste del tiempo de inactividad hace que las empresas energéticas se vean obligadas a almacenar grandes cantidades de componentes con un gasto considerable.

En cambio, necesitan una forma de acceder a las piezas de repuesto de forma fiable y rápida para los activos en ubicaciones remotas sin el gasto de almacenar o tener que rediseñar y calificar una nueva pieza desde cero.

Aquí es donde la velocidad, la flexibilidad y la eficiencia de la impresión 3D son realmente beneficiosas. Las piezas fiables pueden imprimirse bajo demanda en ubicaciones remotas o cerca de ellas. El proceso es mucho más rápido y rentable que almacenar existencias o tener que rediseñar y calificar una nueva pieza. Tampoco es necesario hacer pedidos mínimos de producción.

Esto ayuda a optimizar los niveles de inventario y elimina la necesidad de mantener instalaciones de almacenamiento. Los componentes difíciles de obtener u obsoletos también pueden ser escaneados digitalmente y rediseñados para la impresión 3D. Esto supone un ahorro de tiempo, costes y mano de obra, y a menudo da lugar a piezas más ligeras y con mejor rendimiento.   

 

Unas turbinas más altas y potentes podrían contribuir a aumentar la eficiencia y la producción de energía de un parque eólico. Pero la potencia de los aerogeneradores terrestres es limitada. Los generadores más grandes requieren torres más altas, más fuertes y más sustanciales. Esto representa un cuello de botella para el futuro crecimiento de la industria eólica.

Las torres de aerogeneradores tradicionales se fabrican con tubos de acero prefabricados que se transportan al lugar en camiones de plataforma y se sueldan in situ. El transporte por carretera limita el tamaño de estas torres, de unos 4 metros de diámetro. Si son más grandes, son demasiado anchas para caber en muchas carreteras.

La impresión en 3D de los cimientos de la torre a partir de hormigón in situ permitiría que la base fuera más ancha y lo suficientemente fuerte como para soportar una turbina más alta y potente.

Además, la eficacia de una turbina depende de la altura del terreno local. Dado que las bases de hormigón impresas pueden variar en altura, la impresión 3D puede optimizar la altura de la turbina según el terreno local y maximizar la disposición del emplazamiento. El método también reduciría los costes de transporte y abriría nuevos emplazamientos para la generación de energía eólica.

En abril de 2022, GE Renewable Energy inauguró un nuevo centro de investigación en Bergen, Nueva York, que explorará cómo imprimir en 3D la base de hormigón de las torres utilizadas en las turbinas eólicas.

La investigación pionera utilizará un nuevo tipo de impresora, la mayor de su clase, capaz de imprimir más de 10 toneladas de hormigón por hora. Se trata de la primera impresora 3D de hormigón con dos ejes X: uno para realizar la impresión y otro para el refuerzo.

GE Renewable Energy probará el proceso de impresión en interiores en 2022 y pretende imprimir un segmento de torre a escala real en el exterior el año que viene. Las primeras aplicaciones en el campo se esperan en los próximos cinco años.

 

• ENERGÍA RENOVABLE

La escala definirá la rapidez y el éxito de la transición del sector energético de los combustibles fósiles a una fuente 100% sostenible. Con la demanda de energía en su punto más alto, las empresas de energías renovables deben encontrar formas de fabricar productos de mejor rendimiento, más rápido y de forma más rentable.

No es de extrañar que la impresión 3D en el sector de las energías renovables esté en una curva de crecimiento muy pronunciada. Los paneles solares impresos en 3D, por ejemplo, han demostrado ser un 20% más eficientes que los tradicionales y, sin embargo, cuestan la mitad del precio de fabricación.

Una de las etapas que más tiempo y trabajo requiere en la fabricación de una turbina eólica es la realización de la maqueta a tamaño real de una pala que se utiliza para hacer el molde. Se está investigando cómo la impresión 3D puede mejorar este proceso.

Los investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EE.UU. han dado un paso más y han desarrollado una forma de imprimir en 3D las palas de los aerogeneradores utilizando termoplásticos. El método crea palas avanzadas que son más ligeras, más largas, menos costosas y más eficientes en la captura de energía eólica.

• BATERÍAS

Las tecnologías de almacenamiento de baterías permiten almacenar la energía procedente de fuentes renovables y liberarla cuando se necesita. Las baterías de iones de litio, que se encuentran en los teléfonos inteligentes, los ordenadores portátiles y los vehículos eléctricos, son actualmente el sistema de almacenamiento de energía más común y económicamente viable.  

Las baterías de estado sólido tienen el potencial de ofrecer una solución más ligera, más pequeña, de carga más rápida, más densa en energía y más segura. La impresión 3D está ayudando a producir estas baterías de forma más eficiente, rentable y a escala.

La empresa Sakuu ha abierto recientemente una nueva instalación de impresión e ingeniería de baterías en Silicon Valley. Las nuevas instalaciones permitirán a Sakuu ampliar su plataforma de impresión de baterías en 3D.

Según la empresa, las baterías de estado sólido que se produzcan allí serán hasta un 50% más pequeñas y un 30% más ligeras que las de iones de litio y mucho menos costosas de producir en gran volumen.

 

La empresa Ultra Safe Nuclear Corporation, con sede en Seattle, está desarrollando un microrreactor modular más pequeño, más seguro y más sencillo de instalar que una central nuclear tradicional.

La clave de su enfoque es el combustible revestido de cerámica, en el que la impresión 3D desempeña un papel fundamental. Ultra Safe Nuclear rodea de material cerámico un tipo estándar de partícula de combustible nuclear conocido por su seguridad. Esto produce lo que se conoce como una esfera de combustible microencapsulada. 

Tradicionalmente, estas esferas se colocan en una matriz grafítica blanda. Sin embargo, esta matriz tiene limitaciones de barrera y resistencia. La solución fue sustituir esta matriz por carburo de silicio cerámico (SiC), una cerámica técnica que suele utilizarse en aplicaciones aeroespaciales, de blindaje y de alta temperatura.

Las condiciones dentro de un reactor nuclear son de las más duras de toda la industria, pero el SiC no se encoge ni se hincha excesivamente como la matriz grafítica tradicional. También es muy resistente a la oxidación y la corrosión, lo que le permite soportar las exigentes condiciones del núcleo del reactor nuclear.

Sin embargo, el problema del SiC es que es un material difícil de fabricar o de dar forma a piezas complejas. A pesar del deseo de trabajar con carburo de silicio desde hace mucho tiempo, no existía ningún método viable o asequible para transformar el SiC en las formas necesarias para las aplicaciones nucleares.

Esto ha cambiado gracias a las impresoras 3D de chorro de aglutinante de Desktop Metal y su capacidad para imprimir en 3D partículas cerámicas resistentes al calor de carburo de silicio en geometrías únicas y complejas.

En la actualidad, Ultra Safe Nuclear está realizando demostraciones de sistemas de energía MMR en los Laboratorios Nucleares de Canadá y en la Universidad de Illinois, y ha iniciado nuevos proyectos para seguir desplegando su tecnología en Estados Unidos, Canadá y Europa.

 

• FALTA DE FAMILIARIDAD

Aunque los casos de uso están aumentando, la impresión 3D en el sector de la energía aún no es la corriente principal, ciertamente fuera de la creación de prototipos y modelos. Puede que llegue ese momento, posiblemente antes de lo esperado, pero por ahora, la tecnología sigue siendo secundaria frente a los métodos de producción más convencionales.

Un riguroso proceso de certificación y cualificación de piezas es parte integral de la fabricación de componentes críticos para la seguridad. Sustituir las técnicas de producción probadas por algo nuevo conlleva un nivel de riesgo con el que algunas empresas del sector energético no se sienten cómodas.

• GRANDES VOLÚMENES

En muchos casos, la impresión 3D puede producir un solo artículo o un pequeño lote de artículos de forma más rápida y eficiente que los métodos de fabricación tradicionales. Sin embargo, cada máquina sólo puede imprimir un número determinado de objetos a la vez, dependiendo del tamaño de la máquina y del objeto, por lo que puede no ser el método más adecuado o rentable para grandes tiradas de producción.

• TAMAÑO DE LAS PIEZAS

Las impresoras 3D tienen limitaciones de tamaño inherentes que las hacen incapaces de producir componentes grandes. En algunos casos, se pueden unir varias piezas más pequeñas, aunque no siempre es la solución ideal.

Los fabricantes de impresoras 3D están trabajando para solucionar las limitaciones de tamaño de las máquinas existentes, por ejemplo, eliminando las barreras presentes en las cámaras de impresión típicas.