3D打印在風(fēng)能領(lǐng)域

魔猴君  知識(shí)堂   234天前

3D打印的使用日益廣泛，遍及各個(gè)行業(yè)，越來(lái)越多的公司認(rèn)識(shí)到它在制造過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)。能源行業(yè)也不例外。根據(jù)“增材制造研究”的一份報(bào)告，該領(lǐng)域的3D打印市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2032年將達(dá)到170億歐元。題為“能源領(lǐng)域的增材制造：市場(chǎng)分析與預(yù)測(cè)”的詳細(xì)研究探討了機(jī)遇和潛力增材制造的發(fā)展，特別是風(fēng)能等可再生能源領(lǐng)域。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了3D打印在基本風(fēng)能設(shè)備的開(kāi)發(fā)和維護(hù)中的關(guān)鍵作用，強(qiáng)調(diào)需要充分挖掘其潛力。

市場(chǎng)參與者越來(lái)越認(rèn)識(shí)到3D打印在可再生能源領(lǐng)域，特別是風(fēng)能領(lǐng)域的好處。該技術(shù)提供了降低生產(chǎn)成本的機(jī)會(huì)，同時(shí)允許根據(jù)每個(gè)地點(diǎn)的具體需求定制尺寸。此外，傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)制造方法帶來(lái)的挑戰(zhàn)是眾所周知的：葉片通常由玻璃纖維增強(qiáng)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(fēng)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(lái)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(diǎn)包括原型和成品的穩(wěn)定性，以及風(fēng)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(fēng)能領(lǐng)域得到應(yīng)用，用于高精度和復(fù)雜金屬部件的3D打印，無(wú)論是原型、最終部件還是現(xiàn)有風(fēng)力渦輪機(jī)的維修。西門(mén)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(lái)制造和優(yōu)化其渦輪機(jī)。此外，在風(fēng)力渦輪機(jī)原型和外殼的制造中，風(fēng)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(shù)脂也用于3D打印，以滿足特定的行業(yè)需求。

3D打印在風(fēng)能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和局限性

正如我們已經(jīng)提到的，風(fēng)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(jì)、快速地生產(chǎn)零件，從而促進(jìn)該領(lǐng)域的創(chuàng)新。此外，正如柏林技術(shù)大學(xué)開(kāi)展的一項(xiàng)研究項(xiàng)目所表明的那樣，3D打印提供了制造比傳統(tǒng)方法更復(fù)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(xiàng)研究的一部分，研究人員使用BigRep 3D打印機(jī)成功打印了整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)。

還可以為客戶設(shè)計(jì)定制的風(fēng)力渦輪機(jī)零件，使其精確適應(yīng)風(fēng)力渦輪機(jī)的位置。3D打印的使用提供了直接在現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)輸成本，使其更容易快速且經(jīng)濟(jì)高效地采購(gòu)新的印刷模具。在美國(guó)，由于現(xiàn)有的鐵路和公路基礎(chǔ)設(shè)施，運(yùn)輸限制對(duì)轉(zhuǎn)子葉片的長(zhǎng)度限制為53至62 m。這就是為什么3D打印（可能與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合）在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)制造方面具有巨大潛力，特別是對(duì)于生產(chǎn)更大、更強(qiáng)大的設(shè)備。

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

3D打印的優(yōu)勢(shì)在于能夠直接在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)風(fēng)力渦輪機(jī)。（照片來(lái)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(shì)，但3D打印機(jī)和必要材料的初始投資仍然非常高，這可能會(huì)在使用該技術(shù)時(shí)產(chǎn)生成本。此外，使用3D打印通常很難滿足標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證的嚴(yán)格要求，這也會(huì)導(dǎo)致額外的成本。此外，可3D打印的風(fēng)力渦輪機(jī)零件的尺寸仍然存在限制，ACC等項(xiàng)目仍然是少數(shù)允許打印超大型風(fēng)力渦輪機(jī)零件的項(xiàng)目之一。由于3D打印在風(fēng)能領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)還比較有限，隨著時(shí)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(fēng)力發(fā)電機(jī)制造中的應(yīng)用

3D打印發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，應(yīng)用于整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)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(duì)其進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)。例如，美國(guó)通用電氣集團(tuán)（GE）于2019年開(kāi)始3D打印大型風(fēng)力渦輪機(jī)部件，并于2021年在美國(guó)開(kāi)設(shè)了一家3D打印工廠，專(zhuān)門(mén)用于研究。GE還使用3D打印為其GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhuān)門(mén)利用現(xiàn)場(chǎng)增材制造、高產(chǎn)量和大規(guī)模生產(chǎn)渦輪機(jī)、風(fēng)力葉片、地基和塔架。作為該項(xiàng)目的一部分，Orbital Composites旨在演示和驗(yàn)證其3D打印機(jī)器人在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片制造中的使用。該公司還計(jì)劃開(kāi)發(fā)能夠3D打印長(zhǎng)度超過(guò)100米的風(fēng)力葉片以及直接安裝在海上船舶上的海上風(fēng)力渦輪機(jī)的系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，該初創(chuàng)公司正在與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作。ORNL）和緬因大學(xué)，其研究將在后面的部分中討論。Orbital Composites已獲得美國(guó)能源部(DOE)以及能源效率和可再生能源辦公室(EERE)高達(dá)400萬(wàn)美元的財(cái)政支持。

照片來(lái)源：Soleolico

過(guò)去，西班牙公司Soleolico利用3D打印設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)配備光伏板的風(fēng)力渦輪機(jī)。該裝置因其能夠產(chǎn)生風(fēng)能和太陽(yáng)能、同時(shí)吸收二氧化碳的能力而脫穎而出。對(duì)于這個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目，Soleolico采用了Pure Tech的3D打印工藝，需要10年的開(kāi)發(fā)時(shí)間，直到2023年10月。

3D打印在風(fēng)能領(lǐng)域的研究

全球多所大學(xué)的研究人員正在探索3D打印在風(fēng)能領(lǐng)域的應(yīng)用，例如柏林工業(yè)大學(xué)的項(xiàng)目名為“3D打印為風(fēng)力渦輪機(jī)研究提供動(dòng)力”。在技術(shù)工程師Immanuel Dorn和工程碩士生兼項(xiàng)目講師Sascha Krumbein的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊(duì)正在研究使用3D打印來(lái)優(yōu)化轉(zhuǎn)子葉片。他們的工作包括在大型風(fēng)洞中測(cè)試不同的葉片配置，并評(píng)估使用各種3D打印材料進(jìn)行多次生產(chǎn)迭代的轉(zhuǎn)子的性能。研究人員從空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)始，然后轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，涉及填充和材料選擇，因此需要多次迭代周期來(lái)調(diào)整和適應(yīng)所使用的材料。最后，該團(tuán)隊(duì)在風(fēng)洞中進(jìn)行了“真實(shí)世界”空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試，包括碰撞測(cè)試，以評(píng)估葉片的性能。

此外，許多美國(guó)大學(xué)也正在重點(diǎn)開(kāi)展這方面的研究。例如，印第安納州普渡大學(xué)與RCAM Technologies和Floating Wind Technology Company合作，正在致力于開(kāi)發(fā)更具成本效益的混凝土錨和渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也在探索風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片工具的增材制造。該項(xiàng)目與多家公司合作開(kāi)展，并得到美國(guó)能源部(DOE)280萬(wàn)美元的財(cái)政支持，旨在通過(guò)3D打印加速工具制造并降低成品成本。

作為“3D打印為風(fēng)力渦輪機(jī)研究提供動(dòng)力”項(xiàng)目的一部分，柏林工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)正在研究如何使用3D打印來(lái)優(yōu)化轉(zhuǎn)子葉片。（照片來(lái)源：BigRep）

風(fēng)電行業(yè)3D打印補(bǔ)貼

多個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)獲得資金，特別是來(lái)自聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部(BMWi)的資金，例如“高級(jí)鑄造單元”(ACC)項(xiàng)目。該項(xiàng)目的名字來(lái)源于用于制造砂模的大幅面3D打印機(jī)，“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(guò)程監(jiān)控。來(lái)自巴伐利亞的3D打印公司Voxeljet也參與了該項(xiàng)目。2022年，陸上風(fēng)力渦輪機(jī)制造商GE可再生能源宣布計(jì)劃測(cè)試3D打印模具，用于GE Haliade-X風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙各種關(guān)鍵部件的金屬鑄造。使用的3D打印機(jī)可以生產(chǎn)重達(dá)60噸、直徑達(dá)9.5米的金屬渦輪機(jī)零件模具。該項(xiàng)目的目標(biāo)是將海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)模具的生產(chǎn)時(shí)間從至少十周縮短至兩周，同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)制造模具來(lái)降低運(yùn)輸成本。這種方法還減少了風(fēng)力渦輪機(jī)生產(chǎn)的碳足跡。

風(fēng)能3D打印領(lǐng)域的進(jìn)一步支持來(lái)自IFAF，目前正在支持Winddruck項(xiàng)目，計(jì)劃于2024年9月結(jié)束。該項(xiàng)目旨在以經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)的方式大規(guī)模生產(chǎn)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。到3D打印。此外，該項(xiàng)目還探討了未來(lái)使用可再生和可回收材料3D打印制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的可能性。

照片來(lái)源：Shutterstock

3D打印在風(fēng)能領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來(lái)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(jī)構(gòu)正在認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)的好處，并正在投資增材制造方法的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。3D打印的多種應(yīng)用范圍從原型和組件的生產(chǎn)延伸到整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的制造。它們實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)制造方法無(wú)法提供的靈活性和適應(yīng)性。盡管挑戰(zhàn)依然存在，但3D打印在風(fēng)能領(lǐng)域的道路是開(kāi)放的，可以可持續(xù)地改變?cè)撔袠I(yè)并進(jìn)一步改善清潔能源的獲取。

來(lái)源：3dnatives