Technical and economic feasibility study of Metal 3D Printing in the Chemical Industry: Application to pump impellers

Abstract

Les tècniques de fabricació d'Impressió 3D en Metall, també anomenada Fabricació Additiva (AM), es troben a la seva gènesi des d'un punt de vista d'aplicació industrial i divulgació massiva. Estan renovant el panorama de les tecnologies de producció disponibles fins a l'actualitat i així són/seran, a nivell industrial, una alternativa al procés de compra de materials (negociació de preus), fabricació de peces obsoletes (ja no comercialitzades) o noves i emmagatzematge/custòdia de recanvis tècnics per a la Indústria. L'objectiu d'aquest estudi se centra en l'aplicació de la fabricació additiva en metall per a impulsors de bombes a la indústria química, però també vàlid per a molts altres tipus d'indústria. L'abast del Projecte inclou la construcció de 2 impulsors metàl·lics de bomba, segons les estratègies 1 i 2 indicades a continuació: Estratègia 1: Fabricació AM tipus BJ (Binder Jetting) i posada en funcionament en una bomba centrífuga en una planta de Poliol/Poliglicol de Dow Chemical Ibérica SL, 30-octubre-2020, 6 mesos. Estratègia 2: Fabricació AM tipus SLM (Selective Laser Melting) i posada en funcionament en una bomba de buit a una planta d'hidrocarburs de Dow Chemical Ibérica SL, 16-juny-2022, 4 mesos. El desenvolupament del present treball es va basar en els passos següents: disseny/escaneig, fabricació, muntatge en bomba i posada en servei. Tot seguit es va procedir a l'anàlisi dels resultats una vegada posada en funcionament la bomba a planta. I, finalment, fer una comparació -en condicions normals de funcionament- amb el mateix servei anterior i amb el mateix tipus d'impulsor metàl·lic però fabricat de manera convencional. Aquest treball va demostrar que la implementació de tecnologies AM en metall per a processos químics és una solució útil per a fabricar recanvis que podrien ser difícils de replicar amb altres tecnologies convencionals i, a més, brinda/demostra potencials beneficis econòmics.

Las técnicas de fabricación de Impresión 3D en Metal, también denominada Fabricación Aditiva (AM), se encuentran en su génesis desde un punto de vista de aplicación industrial y divulgación masiva. Están renovando el panorama de las tecnologías de producción disponibles hasta la actualidad y así son/serán, en el ámbito Industrial, una alternativa al proceso de compra de materiales (negociación de precios), fabricación de piezas obsoletas (ya no comercializadas) o nuevas y almacenamiento/custodia de repuestos técnicos para la Industria. El objetivo de este estudio se centra en la aplicación de la Fabricación Aditiva en metal para impulsores de bombas en la Industria Química, pero también válido para muchos otros tipos de Industria. El alcance del Proyecto incluye la construcción de 2 impulsores metálicos de bomba, según las estrategias 1 y 2 indicadas a continuación: Estrategia 1: Fabricación AM tipo BJ (Binder Jetting) y puesta en funcionamiento en una bomba centrífuga en una planta de Poliol/Poliglicol de Dow Chemical Ibérica SL, 30- octubre- 2020, 6 meses. Estrategia 2: Fabricación AM tipo SLM (Selective Laser Melting) y puesta en funcionamiento en una bomba de vacío en una planta de hidrocarburos de Dow Chemical Ibérica SL, 16-junio-2022, 4 meses. El desarrollo del presente trabajo se basó en los siguientes pasos: diseño/escaneo, fabricación, montaje en bomba y puesta en servicio. A continuación se procedió al análisis de los resultados una vez puesta en funcionamiento la bomba en planta. Y, por último, hacer una comparación -en condiciones normales de funcionamiento- con el mismo servicio anterior y con el mismo tipo de impulsor metálico pero fabricado de forma convencional. Este trabajo demostró que la implementación de tecnologías AM en metal para procesos químicos es una solución útil para fabricar recambios que podrían ser difíciles de replicar con otras tecnologías y, además, brinda/demuestra potenciales beneficios económicos.

The Metal 3D Printing fabrication techniques, also named Additive Manufacturing (AM), are in its birth starting point from the perspective of industrial applications and worldwide massive divulgation. The emergence of AM is renovating the landscape of available production technologies with multiple different and potential uses. Among them, in the Industrial field, as an alternative to the process of materials purchasing (price negotiations), manufacturing obsolete (not yet in the market) or new pieces and storage/custody of technical spare parts for the Chemical Industry. The purpose of this study focus on the application of Additive Manufacturing in metal for pump impellers in the Chemical Industry, but also in many other types of Industry. The scope of the project includes the construction of 2 metallic pump impellers, according to strategies 1 and 2 indicated below: Strategy 1: Manufacture additive technology type BJ (Binder Jetting) put into operation in a centrifugal pump at a Polyol/Polyglycol plant of Dow Chemical Ibérica SL from October 30, 2020, 6 months. Strategy 2: Manufacture additive technology type SLM (Selective Laser Melting) put into operation in a vacuum pump at a hydrocarbon plant of Dow Chemical Ibérica SL from October 16, 2022, 4 months. The development of the present work was based on next steps: design/scanning, manufacturing, pump assembly and commissioning. Next was analysis of the results once the pump is assembled and put into operation in the plant. And finally, make a comparison - under normal operating conditions - with the same previous service and with the same type of metal impeller but manufactured in a conventional way. This work further demonstrated that the implementation of metal additive manufacturing technologies in chemical process is a useful solution to fabricate spare parts that could be difficult to replicate with other technologies, providing potential economic benefits.