Großgerätelabor

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iBOGS
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DrillBOGS
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FluidBOGS 3D-Modell

Im Großgerätelabor können Experimente und Analysen an Proben in der Größe von Dezimeter bis Meter durchgeführt werden. Die Infrastruktur dieses Labors fungiert als Bindeglied zwischen Labor- und Feldskala und ermöglicht den Lückenschluss zur Skalierung von Erkenntnissen aus dem GEO.LAB in die Feldskala. Zentraler Bestandteil des Labors ist die match.BOGS (match-„borehole and geofluid simulator“) welche es ermöglicht, für die schonende Erschließung und nachhaltige Nutzung geogener Ressourcen relevante Prozesse unter in-situ Bedingungen physisch zu simulieren. Die match.BOGS besteht hierfür aus drei miteinander verknüpften Modulen: i.BOGS, drill.BOGS und fluid.BOGS. Die i.BOGS („i“ für „in-situ“) stellt einen Autoklav dar, der in der Lage ist, Gesteinsproben mit einer Länge von 3 m und 25 cm Durchmesser triaxialen Druck- und Temperaturbedingungen von Tiefen bis zu 5 km (1250 bar und 180 °C) auszusetzen. Alternativ können durch spezielle Durchführungen in den Autoklav auch technische Komponenten wie beispielsweise Pumpen oder Messgeräte getestet und betrieben werden. Ein Durchströmen des Autoklaven - auch mit korrosiven Fluiden - ist bei einer Förderrate von bis zu ca. 10 l/s möglich. Akustische, optische und thermische Sensoren helfen dabei ablaufende Prozesse zu erkennen und zu quantifizieren. Die drill.BOGS („drill“ für „Bohrantrieb“) bezeichnet den Bohrantrieb des Versuchsstandes. Durch ihn wird es möglich unter Einsatz verschiedener Bohrwerkzeuge in die unter Reservoirbedingungen stehende Gesteinsprobe im Inneren der i.BOGS zu bohren. Zwei Hydraulikzylinder liefern die nötige Vorschubkraft von bis zu 400 kN. Der stufenlos einstellbare Elektromotor treibt die Bohrstange mit bis zu 12 kNm Drehmoment an. Die installierte Mess-, Steuerungs-, und Regelungstechnik (MSR) ermöglicht die Durchführung von vollautomatisierten Bohrvorgängen bei wechselnden Gesteinseigenschaften. Mittels der fluid.BOGS („fluid“ für „Fluidreaktor“) sollen synthetisch erzeugte, geothermale Fluide mit definierter Zusammensetzung im Pilotmaßstab bei geregelter Temperatur, geregeltem Druck oder geregeltem Massenstrom bereitgestellt werden. Diese Geofluide lassen sich unter pT-Reservoirbedingungen in die i.BOGS leiten, um dort Stimulations- oder Durchströmungsprozesse im Reservoir oder im Bohrloch zu studieren. Eine Strömungsschleife innerhalb der fluid.BOGS wird eine präzise Regelung aller Parameter sicherstellen.

Die match.BOGS Infrastruktur wird ergänzt durch kleinere Autoklavensysteme, in denen verschiedene hydraulische und mechanische Bohrverfahren an Gesteinsproben im Dezimeterbereich bei Drücken bis 600 bar weiterentwickelt werden.

Werkstätten#

Der Aufbau und sichere Betrieb komplexer Versuchsaufbauten benötigt häufig eine Anpassung einzelner mechanischer Komponenten. Zur schnellen Umsetzung, bzw. zum schnellen Prototypenbau wie auch zur Herstellung von Ersatzteilen oder Kleinserien betreibt das Fraunhofer IEG verschiedene Werkstätten.

Mechanische Werkstatt

Zur schnellen und passgenauen Bearbeitung experimenteller Herausforderungen unterhält das Fraunhofer IEG eine zentrale Werkstatt in denen kleinere mechanische Arbeiten durchgeführt und Komponenten gebaut werden können.

3D-Druck – Eine neue Technologie für additive Fertigungsprozesse am Fraunhofer IEG in Bochum#

Am IEG Standort in Bochum sind zwei 3D-Drucker zur Herstellung von bspw. Prototypen oder Bauteilen im Einsatz. Zur Verwendung kommen polymer- und harzbasierte Materialien für additive Fertigungsprozesse. Diese ermöglichen den Druck von Kunststoff-Objekten in verschiedenen Auflösungen und Dimensionen, so z.B. den Druck eines neuartigen Ventilsystem (Percussionssystem) für einen Fluidhammer in dem Projekt GeoDrill. Der schnelle Prototypenbau ermöglicht kurze Entwicklungszyklen von Prototypen, die Herstellung von Ersatzteilen oder von Kleinserien für Versuchszwecke.

Stereolithographie 3D-Druckverfahren#

Stereolithographie Drucker (links) und UV-Kammer zur Bauteilhärtung (rechts).
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Stereolithographie Drucker (links) und UV-Kammer zur Bauteilhärtung (rechts).

Beim Stereolithografie (SLA) wird das Werkstück aus einem Flüssigbad aus Photopolymer aufgebaut. Beim diesem Verfahren werden lichtaushärtende Kunststoffe in dünnen Schichten von einem Laser ausgehärtet. Bei den eingesetzten Kunststoffen handelt es sich um spezielle Photopolymere (Kunst- oder Epoxidharze). Der Laser wird über bewegliche Spiegel verfahren, wobei eine Schicht nach der anderen ausgehärtet wird. Um das Bauteil an der Bauplattform zu fixieren sind sog. Stützstrukturen notwendig. Zur Nachbehandlung werden die Bauteile zunächst mit Isopropanol gereinigt und dann mit UV-Strahlung zur Aushärtung bestrahlt.

Modell:                            Form 3 (Formlabs)

Bauteilgröße:                  14,5 × 14,5 × 18,5 cm

Materialien:                     Photopolymer-Harz

Vorteile:                          hohe Auflösung

Fused Deposition Modeling 3D-Druckverfahren#

FDM-Drucker (links) und Düse bzw. Nozzle (rechts), aus der das zu druckende Druckermaterial austritt.
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FDM-Drucker (links) und Düse bzw. Nozzle (rechts), aus der das zu druckende Druckermaterial austritt.

Mit dem Fused Deposition Modeling-Verfahren (FDM) lassen sich zahlreiche Kunststoffe drucken. Der FDM-Druck ist am preiswertesten und ermöglicht insbesondere die Herstellung großer Bauteile. FDM bietet zudem eine höhere Stabilität als die meisten anderen Druckverfahren.

 

Modell:                            ThinkBot (Thinking Additive Technology GmbH)

Bauteilgröße:                  40 × 40 × 60 cm

Materialien:                     PLA, PETG, ABS und weitere Polymere

Vorteile:                          hohe Bauteilhärte