3D打印在風能領域

魔猴君  知識堂   164天前

3D打印的使用日益廣泛，遍及各個行業，越來越多的公司認識到它在制造過程中的優勢。能源行業也不例外。根據“增材制造研究”的一份報告，該領域的3D打印市場預計到2032年將達到170億歐元。題為“能源領域的增材制造：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展，特別是風能等可再生能源領域。重點強調了3D打印在基本風能設備的開發和維護中的關鍵作用，強調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域，特別是風能領域的好處。該技術提供了降低生產成本的機會，同時允許根據每個地點的具體需求定制尺寸。此外，傳統風力渦輪機制造方法帶來的挑戰是眾所周知的：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

在風能領域最常用的3D打印技術中，FDM技術占有特殊的地位。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構。這種方法的優點包括原型和成品的穩定性，以及風能組件的生產，特別適合小型零件。此外，還經常使用粘合劑噴射技術。

DMLS工藝已在風能領域得到應用，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利用它來制造和優化其渦輪機。此外，在風力渦輪機原型和外殼的制造中，風力行業經常使用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，以滿足特定的行業需求。

3D打印在風能領域的優勢和局限性

正如我們已經提到的，風能領域的3D打印特別適合原型的制作。這種效率源于該技術能夠經濟、快速地生產零件，從而促進該領域的創新。此外，正如柏林技術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方法更復雜的形狀的可能性，這使得提高轉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場生產組件的可能性，并提高了不斷調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濟高效地采購新的印刷模具。在美國，由于現有的鐵路和公路基礎設施，運輸限制對轉子葉片的長度限制為53至62 m。這就是為什么3D打印（可能與機器人技術相結合）在實現現場制造方面具有巨大潛力，特別是對于生產更大、更強大的設備。

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

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

盡管3D打印在降低原型生產成本方面具有優勢，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時產生成本。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打印在風能領域的經驗還比較有限，隨著時間的推移，3D打印部件是否具有可靠、穩定的特性還有待確定。

3D打印在風力發電機制造中的應用

3D打印發揮著至關重要的作用，應用于整個風力渦輪機生產過程的各個方面。特別是，增材制造用于組件和模具的生產，以及新組件原型的生產。這種方法可以快速創建原型，以便在大規模生產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發動機制造更輕的渦輪葉片。

另一家在該領域利用3D打印的公司是初創公司Orbital Composites，該公司專門利用現場增材制造、高產量和大規模生產渦輪機、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。為了實現這些目標，該初創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。對于這個創新項目，Soleolico采用了Pure Tech的3D打印工藝，需要10年的開發時間，直到2023年10月。

3D打印在風能領域的研究

全球多所大學的研究人員正在探索3D打印在風能領域的應用，例如柏林工業大學的項目名為“3D打印為風力渦輪機研究提供動力”。在技術工程師Immanuel Dorn和工程碩士生兼項目講師Sascha Krumbein的帶領下，該團隊正在研究使用3D打印來優化轉子葉片。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迭代的轉子的性能。研究人員從空氣動力學設計開始，然后轉向結構設計，涉及填充和材料選擇，因此需要多次迭代周期來調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，正在致力于開發更具成本效益的混凝土錨和渦輪機結構，同時也在探索風力渦輪機轉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，柏林工業大學的團隊正在研究如何使用3D打印來優化轉子葉片。（照片來源：BigRep）

風電行業3D打印補貼

多個項目已經獲得資金，特別是來自聯邦經濟事務和能源部(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)作為聯合合作伙伴，兩者都在材料技術方面以及數字過程監控。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鍵部件的金屬鑄造。使用的3D打印機可以生產重達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電機模具的生產時間從至少十周縮短至兩周，同時通過現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的碳足跡。

風能3D打印領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月結束。該項目旨在以經濟且可持續的方式大規模生產風力渦輪機葉片。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打印在風能領域的應用變得越來越重要，并顯示出創新和效率提升的巨大潛力。世界各地的公司和研究機構正在認識到這項技術的好處，并正在投資增材制造方法的開發和應用。3D打印的多種應用范圍從原型和組件的生產延伸到整個風力渦輪機的制造。它們實現了傳統制造方法無法提供的靈活性和適應性。盡管挑戰依然存在，但3D打印在風能領域的道路是開放的，可以可持續地改變該行業并進一步改善清潔能源的獲取。

來源：3dnatives