3D打印在風能領(lǐng)域

魔猴君  知識堂   169天前

3D打印的使用日益廣泛，遍及各個行業(yè)，越來越多的公司認識到它在制造過程中的優(yōu)勢。能源行業(yè)也不例外。根據(jù)“增材制造研究”的一份報告，該領(lǐng)域的3D打印市場預計到2032年將達到170億歐元。題為“能源領(lǐng)域的增材制造：市場分析與預測”的詳細研究探討了機遇和潛力增材制造的發(fā)展，特別是風能等可再生能源領(lǐng)域。重點強調(diào)了3D打印在基本風能設備的開發(fā)和維護中的關(guān)鍵作用，強調(diào)需要充分挖掘其潛力。

市場參與者越來越認識到3D打印在可再生能源領(lǐng)域，特別是風能領(lǐng)域的好處。該技術(shù)提供了降低生產(chǎn)成本的機會，同時允許根據(jù)每個地點的具體需求定制尺寸。此外，傳統(tǒng)風力渦輪機制造方法帶來的挑戰(zhàn)是眾所周知的：葉片通常由玻璃纖維增強塑料制成，這是一種難以回收的材料。

3D打印工藝及所用材料

在風能領(lǐng)域最常用的3D打印技術(shù)中，F(xiàn)DM技術(shù)占有特殊的地位。通常選擇這種方法來制造原型和零件。另一種廣泛使用的方法是SLS，它使用激光熔化尼龍等粉末材料，然后將其固化形成結(jié)構(gòu)。這種方法的優(yōu)點包括原型和成品的穩(wěn)定性，以及風能組件的生產(chǎn)，特別適合小型零件。此外，還經(jīng)常使用粘合劑噴射技術(shù)。

DMLS工藝已在風能領(lǐng)域得到應用，用于高精度和復雜金屬部件的3D打印，無論是原型、最終部件還是現(xiàn)有風力渦輪機的維修。西門子歌美颯可再生能源公司和維斯塔斯等公司已經(jīng)利用它來制造和優(yōu)化其渦輪機。此外，在風力渦輪機原型和外殼的制造中，風力行業(yè)經(jīng)常使用PLA和ABS等材料。尼龍、聚酰胺、金屬粉末、玻璃和碳纖維以及樹脂也用于3D打印，以滿足特定的行業(yè)需求。

3D打印在風能領(lǐng)域的優(yōu)勢和局限性

正如我們已經(jīng)提到的，風能領(lǐng)域的3D打印特別適合原型的制作。這種效率源于該技術(shù)能夠經(jīng)濟、快速地生產(chǎn)零件，從而促進該領(lǐng)域的創(chuàng)新。此外，正如柏林技術(shù)大學開展的一項研究項目所表明的那樣，3D打印提供了制造比傳統(tǒng)方法更復雜的形狀的可能性，這使得提高轉(zhuǎn)子葉片的性能成為可能。作為這項研究的一部分，研究人員使用BigRep 3D打印機成功打印了整個風力渦輪機。

還可以為客戶設計定制的風力渦輪機零件，使其精確適應風力渦輪機的位置。3D打印的使用提供了直接在現(xiàn)場生產(chǎn)組件的可能性，并提高了不斷調(diào)整模具和組件的靈活性。這種方法降低了模制零件的運輸成本，使其更容易快速且經(jīng)濟高效地采購新的印刷模具。在美國，由于現(xiàn)有的鐵路和公路基礎設施，運輸限制對轉(zhuǎn)子葉片的長度限制為53至62 m。這就是為什么3D打印（可能與機器人技術(shù)相結(jié)合）在實現(xiàn)現(xiàn)場制造方面具有巨大潛力，特別是對于生產(chǎn)更大、更強大的設備。

鑒于傳統(tǒng)生產(chǎn)方法的交貨時間較長，3D打印還能夠更快地按需生產(chǎn)替換零件。這減少了訂購和制造交貨時間，從而無需持續(xù)保持高水平的庫存。此外，該技術(shù)為風力渦輪機創(chuàng)造了輕質(zhì)且復雜的結(jié)構(gòu)，這有助于減輕其整體重量。

3D打印的優(yōu)勢在于能夠直接在現(xiàn)場生產(chǎn)風力渦輪機。（照片來源：en-former）

盡管3D打印在降低原型生產(chǎn)成本方面具有優(yōu)勢，但3D打印機和必要材料的初始投資仍然非常高，這可能會在使用該技術(shù)時產(chǎn)生成本。此外，使用3D打印通常很難滿足標準和認證的嚴格要求，這也會導致額外的成本。此外，可3D打印的風力渦輪機零件的尺寸仍然存在限制，ACC等項目仍然是少數(shù)允許打印超大型風力渦輪機零件的項目之一。由于3D打印在風能領(lǐng)域的經(jīng)驗還比較有限，隨著時間的推移，3D打印部件是否具有可靠、穩(wěn)定的特性還有待確定。

3D打印在風力發(fā)電機制造中的應用

3D打印發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，應用于整個風力渦輪機生產(chǎn)過程的各個方面。特別是，增材制造用于組件和模具的生產(chǎn)，以及新組件原型的生產(chǎn)。這種方法可以快速創(chuàng)建原型，以便在大規(guī)模生產(chǎn)之前對其進行測試和改進。例如，美國通用電氣集團（GE）于2019年開始3D打印大型風力渦輪機部件，并于2021年在美國開設了一家3D打印工廠，專門用于研究。GE還使用3D打印為其GE9X發(fā)動機制造更輕的渦輪葉片。

另一家在該領(lǐng)域利用3D打印的公司是初創(chuàng)公司Orbital Composites，該公司專門利用現(xiàn)場增材制造、高產(chǎn)量和大規(guī)模生產(chǎn)渦輪機、風力葉片、地基和塔架。作為該項目的一部分，Orbital Composites旨在演示和驗證其3D打印機器人在風力渦輪機葉片制造中的使用。該公司還計劃開發(fā)能夠3D打印長度超過100米的風力葉片以及直接安裝在海上船舶上的海上風力渦輪機的系統(tǒng)。為了實現(xiàn)這些目標，該初創(chuàng)公司正在與橡樹嶺國家實驗室合作。ORNL）和緬因大學，其研究將在后面的部分中討論。Orbital Composites已獲得美國能源部(DOE)以及能源效率和可再生能源辦公室(EERE)高達400萬美元的財政支持。

照片來源：Soleolico

過去，西班牙公司Soleolico利用3D打印設計了世界上第一臺配備光伏板的風力渦輪機。該裝置因其能夠產(chǎn)生風能和太陽能、同時吸收二氧化碳的能力而脫穎而出。對于這個創(chuàng)新項目，Soleolico采用了Pure Tech的3D打印工藝，需要10年的開發(fā)時間，直到2023年10月。

3D打印在風能領(lǐng)域的研究

全球多所大學的研究人員正在探索3D打印在風能領(lǐng)域的應用，例如柏林工業(yè)大學的項目名為“3D打印為風力渦輪機研究提供動力”。在技術(shù)工程師Immanuel Dorn和工程碩士生兼項目講師Sascha Krumbein的帶領(lǐng)下，該團隊正在研究使用3D打印來優(yōu)化轉(zhuǎn)子葉片。他們的工作包括在大型風洞中測試不同的葉片配置，并評估使用各種3D打印材料進行多次生產(chǎn)迭代的轉(zhuǎn)子的性能。研究人員從空氣動力學設計開始，然后轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設計，涉及填充和材料選擇，因此需要多次迭代周期來調(diào)整和適應所使用的材料。最后，該團隊在風洞中進行了“真實世界”空氣動力學測試，包括碰撞測試，以評估葉片的性能。

此外，許多美國大學也正在重點開展這方面的研究。例如，印第安納州普渡大學與RCAM Technologies和Floating Wind Technology Company合作，正在致力于開發(fā)更具成本效益的混凝土錨和渦輪機結(jié)構(gòu)，同時也在探索風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片工具的增材制造。該項目與多家公司合作開展，并得到美國能源部(DOE)280萬美元的財政支持，旨在通過3D打印加速工具制造并降低成品成本。

作為“3D打印為風力渦輪機研究提供動力”項目的一部分，柏林工業(yè)大學的團隊正在研究如何使用3D打印來優(yōu)化轉(zhuǎn)子葉片。（照片來源：BigRep）

風電行業(yè)3D打印補貼

多個項目已經(jīng)獲得資金，特別是來自聯(lián)邦經(jīng)濟事務和能源部(BMWi)的資金，例如“高級鑄造單元”(ACC)項目。該項目的名字來源于用于制造砂模的大幅面3D打印機，“Fraunhofer-Institut für Gie?erei-,Composite-und Verarbeitungstechnik”(IGCV)作為聯(lián)合合作伙伴，兩者都在材料技術(shù)方面以及數(shù)字過程監(jiān)控。來自巴伐利亞的3D打印公司Voxeljet也參與了該項目。2022年，陸上風力渦輪機制造商GE可再生能源宣布計劃測試3D打印模具，用于GE Haliade-X風力渦輪機機艙各種關(guān)鍵部件的金屬鑄造。使用的3D打印機可以生產(chǎn)重達60噸、直徑達9.5米的金屬渦輪機零件模具。該項目的目標是將海上風力發(fā)電機模具的生產(chǎn)時間從至少十周縮短至兩周，同時通過現(xiàn)場制造模具來降低運輸成本。這種方法還減少了風力渦輪機生產(chǎn)的碳足跡。

風能3D打印領(lǐng)域的進一步支持來自IFAF，目前正在支持Winddruck項目，計劃于2024年9月結(jié)束。該項目旨在以經(jīng)濟且可持續(xù)的方式大規(guī)模生產(chǎn)風力渦輪機葉片。到3D打印。此外，該項目還探討了未來使用可再生和可回收材料3D打印制造風力渦輪機葉片的可能性。

照片來源：Shutterstock

3D打印在風能領(lǐng)域的應用變得越來越重要，并顯示出創(chuàng)新和效率提升的巨大潛力。世界各地的公司和研究機構(gòu)正在認識到這項技術(shù)的好處，并正在投資增材制造方法的開發(fā)和應用。3D打印的多種應用范圍從原型和組件的生產(chǎn)延伸到整個風力渦輪機的制造。它們實現(xiàn)了傳統(tǒng)制造方法無法提供的靈活性和適應性。盡管挑戰(zhàn)依然存在，但3D打印在風能領(lǐng)域的道路是開放的，可以可持續(xù)地改變該行業(yè)并進一步改善清潔能源的獲取。

來源：3dnatives