3D打印又稱增材制造技術(shù)，是一種依據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)通過逐層材料累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，最些年得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于風(fēng)電葉片由玻璃纖維或碳纖維構(gòu)成，形狀復(fù)雜并且尺寸巨大，一直以來，3D打印技術(shù)并未滲透人風(fēng)電葉片中。

3D打印葉片

美國一家初創(chuàng)公司 Orbital Composites 希望通過使用 3D 打印機(jī)和機(jī)器人直接在現(xiàn)場制造風(fēng)力機(jī)葉片，從而徹底改變風(fēng)電行業(yè)。據(jù)首席執(zhí)行官 Amolak Badisha 稱，未來將消除運(yùn)輸葉片所涉及的復(fù)雜的物流問題。

借助復(fù)合材料 3D 打印技術(shù)，與傳統(tǒng)的手動(dòng)工藝相比，葉片生產(chǎn)速度要快得多，成本效益也更高。整個(gè)生產(chǎn)技術(shù)可以裝進(jìn)集裝箱，靈活地運(yùn)輸?shù)斤L(fēng)力機(jī)安裝現(xiàn)場。

初步測(cè)試表明，與海上生產(chǎn)相比，制造成本最多可降低 25%。此外，可以使用更大的葉片以獲得更高的發(fā)電量。計(jì)劃還要求對(duì)塔架和其他風(fēng)力機(jī)部件進(jìn)行全 3D 打印。

此外，Gulf Wind Technology 公司自 2021 年以來一直在制造風(fēng)力機(jī)葉片，作為美國唯一的獨(dú)立風(fēng)力機(jī)技術(shù)解決方案提供商，其位于密西西比州的工廠擁有一支專業(yè)工程師團(tuán)隊(duì)。其最近宣布與 3D 打印公司 Stratasys 建立合作伙伴關(guān)系，引入增材制造技術(shù)以測(cè)試和改進(jìn)模型。

這些模型是使用 Somos Perform Reflect 材料生產(chǎn)的，該材料具有高強(qiáng)度、剛度和耐溫性，這在風(fēng)洞測(cè)試中至關(guān)重要。此外，它們可用于更快地測(cè)試葉片的形狀和設(shè)計(jì)，從而最大限度地提高風(fēng)能效率。

他們還計(jì)劃與美國能源部（U.S. Department of Energy） 合作，還將開發(fā)一種用于 3D 打印的電纜機(jī)器人，以便在現(xiàn)場更高效地制造風(fēng)力機(jī)。Orbital Composites 表示，該工藝可以顯著擴(kuò)大風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模。

3D打印葉尖

今年早些時(shí)候宣布，ORNL 正在與 UMaine 和 Orbital Composites（美國加利福尼亞州圣何塞）領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)由 DOE 資助的 400 萬美元項(xiàng)目，使用 Orbital 的集裝箱式 3D 打印機(jī)器人對(duì)風(fēng)力葉片組件進(jìn)行現(xiàn)場打印。Orbital Composites 證明其移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)可以提高 25% 以上的勞動(dòng)力。傳統(tǒng)的葉片制造工藝，以及新葉片設(shè)計(jì)交貨時(shí)間縮短 50% 以上。

此外，GE 業(yè)務(wù)部門和 LM Wind Power（丹麥科靈）——也在與 U.S. DOE 合作開展一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目于 2021 年 1 月宣布，用于設(shè)計(jì)和制造 3D 打印轉(zhuǎn)子葉片尖端，重點(diǎn)是低成本增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。這個(gè)為期 25 個(gè)月、耗資 670 萬美元的項(xiàng)目將涉及合作伙伴 ORNL 和 NREL。該項(xiàng)目的目標(biāo)是提供一個(gè)用于結(jié)構(gòu)測(cè)試的全尺寸葉尖，以及安裝在風(fēng)力機(jī)上的三個(gè)葉尖。

3D打印葉片模具

早在2021 年 1 月，美國緬因大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心（UMaine ASCC）就宣布，它正在參與一個(gè)由美國能源部先進(jìn)制造辦公室資助的 280 萬美元項(xiàng)目，用于開發(fā)一種快速、低成本的增材制造解決方案，用于制造大型、 分段式風(fēng)力葉片模具。該項(xiàng)目的合作伙伴包括 ORNL、TPI、西門子歌美颯、Ingersoll Machine Tools和 Techmer PM。

在接下來的兩年里，UMaine 及其合作伙伴將致力于開發(fā) 3D 打印的 17 米長的模段，用于注入 120 米長的轉(zhuǎn)子葉片。將打印兩個(gè)模具段，并研究開發(fā)一種連接方法以組裝模具。模具部分將在 UMaine 的大幅面 3D 打印機(jī)上打印，該打印機(jī)每小時(shí)可打印高達(dá) 150 磅的材料。ORNL 還提供專門開發(fā)的 3D 打印加熱元件，這些加熱元件將被自動(dòng)沉積到模具中，用于模具表面溫度控制。

該計(jì)劃的目標(biāo)是使用 3D 打印來加快葉片的上市時(shí)間并降低新葉片的開發(fā)成本，目標(biāo)是分別縮短六個(gè)月和降低 25-50% 的模具成本。據(jù) UMaine ASCC 的創(chuàng)始執(zhí)行董事 Habib Dagher 博士稱，另一個(gè)關(guān)鍵方面是開發(fā)和使用 100% 可回收的生物基熱塑性聚合物，該聚合物由木纖維增強(qiáng)。據(jù)說這種材料可以產(chǎn)生所需的機(jī)械性能，但比碳纖維增強(qiáng) ABS 熱塑性原料更便宜。

Dagher 說，最終目標(biāo)是將工作擴(kuò)展到 3D 打印最終用途葉片本身的一些組件，以完全減少模具的使用。目前正在進(jìn)行材料開發(fā)，他預(yù)計(jì) UMaine 將能夠在未來兩年內(nèi)開始開發(fā)原型葉片組件。