關(guān)于 3D 打印和可再生能源的 3D 打印行業(yè)訪談系列轉(zhuǎn)向風(fēng)能領(lǐng)域的增材制造。

在該領(lǐng)域率先采用 3D打印的公司是 GE Renewable Energy。 “增材制造有可能在風(fēng)能行業(yè)的成本和性能競(jìng)爭(zhēng)力方面帶來(lái)重大變化，”GE 可再生先進(jìn)制造技術(shù)負(fù)責(zé)人 Matteo Bellucci 說(shuō)。Bellucci 分享了 GE 正在努力通過(guò) 3D 打印提高風(fēng)力渦輪機(jī)效率和性能的最新進(jìn)展，并討論了該技術(shù)對(duì)風(fēng)能行業(yè)的好處。

美國(guó)的風(fēng)能在 2020 年以創(chuàng)紀(jì)錄的速度增長(zhǎng)，陸上風(fēng)電裝置數(shù)年來(lái)首次超過(guò)太陽(yáng)能裝置。與上一年相比，該國(guó)的海上風(fēng)電管道在 2020 年增長(zhǎng)了 24%。另一個(gè)值得注意的新興趨勢(shì)涉及對(duì)使用海上風(fēng)能生產(chǎn)清潔氫氣的興趣增加。為使歐盟 (EU) 到 2026 年實(shí)現(xiàn)其 40% 的可再生能源目標(biāo)，從現(xiàn)在到那時(shí)，每年需要安裝 32 吉瓦的新風(fēng)電場(chǎng)。由于全球供應(yīng)鏈問(wèn)題和瓶頸，到 2021 年歐洲的風(fēng)電裝機(jī)容量?jī)H為 17.4 吉瓦，3D 打印是否有黃金機(jī)會(huì)增加其在該領(lǐng)域的應(yīng)用？

GE 的 Haliade-X 海上風(fēng)力渦輪機(jī)。圖片來(lái)自通用電氣。

利用 3D 打印提升風(fēng)能競(jìng)爭(zhēng)力

2021 年 2 月，GE 獲得美國(guó)能源部 (DoE) 的 670 萬(wàn)美元項(xiàng)目，用于探索 3D 打印風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的設(shè)計(jì)和制造。 GE 與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 和國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 (NREL) 合作，尋求通過(guò)利用 3D 打印降低制造成本和提高供應(yīng)鏈靈活性來(lái)提高陸上和海上風(fēng)能的競(jìng)爭(zhēng)力?！耙呀?jīng)篩選了幾種設(shè)計(jì)和工藝概念以及新的熱塑性材料，從而更清楚地說(shuō)明我們將如何實(shí)現(xiàn)在刀片制造中使用 3D 打印以及其他先進(jìn)工藝和高度自動(dòng)化的目標(biāo)，”貝魯奇說(shuō)。他解釋說(shuō)，使用 3D 打印和熱塑性復(fù)合材料制造的渦輪葉片尖端將有幾個(gè)好處，包括比傳統(tǒng)制造的同類產(chǎn)品更輕。輕量化允許渦輪機(jī)上更大的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更多動(dòng)力，同時(shí)減輕整個(gè)渦輪機(jī)的壓力，減少其齒輪箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、軸承和基礎(chǔ)的磨損，并降低渦輪機(jī)操作員的生命周期成本。

3D 打印的熱塑性塑料葉片尖端也可以在使用壽命結(jié)束時(shí)熔化和回收，這是 GE 可再生能源項(xiàng)目的一個(gè)重要方面。該團(tuán)隊(duì)還在探索渦輪葉片的哪些其他部分可以從 3D 打印技術(shù)和熱塑性材料中受益，以增加組件的上市時(shí)間、質(zhì)量和可持續(xù)性。貝魯奇表示，3D 打印不僅將為風(fēng)能行業(yè)帶來(lái)成本和性能競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)，而且該技術(shù)還將“幫助 GE Renewable 支持我們的客戶，推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型越來(lái)越遠(yuǎn)?！?/span>

9 月，弗勞恩霍夫 IGCV 和粘合劑噴射系統(tǒng)制造商 voxeljet 宣布，他們將建造迄今為止“世界上最大的”風(fēng)力渦輪機(jī) 3D 打印機(jī)。該系統(tǒng)被稱為“Advance Casting Cell”（ACC），專門(mén)用于打印為 GE 的海上 Haliade-X 渦輪機(jī)鑄造零件所需的模具，每個(gè)渦輪機(jī)的重量可達(dá) 60 噸。“該計(jì)劃僅在幾個(gè)月前開(kāi)始，我們?nèi)蕴幱谄涓拍铋_(kāi)發(fā)的早期階段，”貝魯奇說(shuō)。 “正如我們?cè)谌ツ昴甑资谟柙擁?xiàng)目時(shí)所討論的那樣，該項(xiàng)目旨在加速和優(yōu)化 GE Haliade-X 海上渦輪機(jī)關(guān)鍵鑄造部件的生產(chǎn)。具體來(lái)說(shuō)，3D 打印為在海上風(fēng)電項(xiàng)目附近生產(chǎn)大型渦輪機(jī)部件提供了靈活性，降低了運(yùn)輸成本并帶來(lái)了環(huán)境效益?！?/span>Bellucci 表示，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)目前正在編譯打印機(jī)的規(guī)格細(xì)節(jié)，然后 voxeljet 將開(kāi)始項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，包括新打印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

一個(gè) 3D 打印的混凝土風(fēng)力渦輪機(jī)塔。圖片來(lái)自通用電氣。

AM 對(duì)風(fēng)能的好處

為了實(shí)現(xiàn)減少溫室氣體排放的宏偉目標(biāo)，風(fēng)能已成為應(yīng)對(duì)全球氣候危機(jī)的日益關(guān)注的主題。為此，正在投入大量研究以使風(fēng)力渦輪機(jī)本身更加環(huán)保。例如，NREL 開(kāi)發(fā)了一種通過(guò) 3D 打印制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的方法，該方法提高了其性能和報(bào)廢可回收性，而緬因大學(xué)正在研究一種環(huán)保型渦輪葉片模具 3D 打印工藝，支持成本為 2.8 美元百萬(wàn)聯(lián)邦資金。在其他地方，麥吉爾大學(xué)和瑞爾森大學(xué)的工程師正致力于將風(fēng)力渦輪機(jī)葉片廢料轉(zhuǎn)化為用于纖維增強(qiáng)部件的新型 3D 打印 PLA 材料。

關(guān)于 GE，“3D 打印技術(shù)已經(jīng)成熟，可以幫助我們制作小型和大型部件的工具，以及對(duì)我們工廠運(yùn)營(yíng)效率產(chǎn)生直接和直接影響的快速原型制作，”Bellucci 說(shuō)。 “要將 3D 打印直接應(yīng)用到我們的產(chǎn)品中，還需要一些時(shí)間，但潛力非常大，我們正在積極探索不同的用例。”Bellucci 說(shuō)，看看風(fēng)能之外的整個(gè)可再生能源組合，GE 認(rèn)為 3D 打印的所有傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)取決于相關(guān)的用例。這些好處包括上市時(shí)間、鑄件模具的 3D 打印、更具彈性、本地化和敏捷的供應(yīng)鏈，以及主要由技術(shù)的自動(dòng)化和數(shù)字化特性驅(qū)動(dòng)的提高質(zhì)量一致性。

“此外，3D 打印為更高效的設(shè)計(jì)打開(kāi)了大門(mén)，這些設(shè)計(jì)可以針對(duì)特定位置和應(yīng)用進(jìn)行定制，”他繼續(xù)說(shuō)道。 “例如，雖然給定地點(diǎn)的風(fēng)力渦輪機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)可能要求塔高 90 米，但現(xiàn)場(chǎng)更詳細(xì)的分析可能表明，在風(fēng)電場(chǎng)的一個(gè)特定部分，高 120 米的塔更有意義。“在這種情況下，我們可以在現(xiàn)場(chǎng) 3D 打印 30 米的塔組件，以添加到現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn) 90 米基地以獲得最佳性能。”根據(jù)貝魯奇的說(shuō)法，這種方法在兩個(gè)方面比現(xiàn)有做法更可持續(xù)。它不僅可以最大限度地利用可產(chǎn)生的清潔、可再生能源總量，而且還可以通過(guò)減少需要制造和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)牧慵?shù)量來(lái)降低項(xiàng)目的碳足跡。

NREL 研究人員的 13 米熱塑性刀片原型的一部分。照片來(lái)自 NREL 的 Ryan Beach。

通過(guò) 3D 打印幫助可再生能源轉(zhuǎn)型

貝魯奇認(rèn)為 3D 打印有助于 GE 可再生能源和更廣泛的能源部門(mén)在許多方面加速向清潔能源發(fā)電的過(guò)渡。“這通常是一種能源密集度較低的制造過(guò)程，產(chǎn)生的廢物也更少，例如，3D 打印將允許探索新的設(shè)計(jì)實(shí)踐，使用拓?fù)鋬?yōu)化等工具，這是一種設(shè)計(jì)方法，使我們的工程師能夠?qū)Χ喾N設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，以找到應(yīng)對(duì)給定挑戰(zhàn)的最有效和最具成本效益的解決方案。因此，我們的團(tuán)隊(duì)可以使用消耗更少能源的零件來(lái)生產(chǎn)并減少浪費(fèi)。”Bellucci 還指出了該技術(shù)在簡(jiǎn)化制造組裝流程和物流方面的潛力，這有助于減少公司的碳足跡。

“3D 打印可以讓我們探索通過(guò)將幾個(gè)不同的組件合并為一個(gè)部件來(lái)改進(jìn)給定組件設(shè)計(jì)的方法，”他解釋道。 “通常將許多零件制造成單獨(dú)的組件然后組合在一起的機(jī)械組件可以作為一個(gè)單元進(jìn)行增材制造，即使組合單元的幾何形狀非常復(fù)雜，也可以打印和組合零件。”增材制造使 GE 能夠減少需要設(shè)計(jì)和制造的零件數(shù)量，從而簡(jiǎn)化裝配過(guò)程并提高其產(chǎn)品的耐用性和可靠性。合并有助于更有效的報(bào)廢拆卸過(guò)程，從而提高公司的材料可回收性和循環(huán)性。

“3D 打印還可以更輕松地將回收材料和二次材料流融入我們的設(shè)計(jì)中，”Bellucci 補(bǔ)充道。 “例如，當(dāng)我們?yōu)樾碌臏u輪機(jī) 3D 打印塔時(shí)，我們正在探索使用將用于回收退役風(fēng)力渦輪機(jī)葉片中生產(chǎn)的材料的方法，有效地交叉授粉我們與 Holcim 的兩個(gè)有希望的合作伙伴關(guān)系。“同樣，在美國(guó)國(guó)防部的支持下，我們正在探索將 3D 打印與熱塑性材料結(jié)合用于新型先進(jìn)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的方法。這些 3D 打印創(chuàng)新可以顯著減少生產(chǎn)新風(fēng)力渦輪機(jī)所需的材料數(shù)量。根據(jù)貝魯奇的說(shuō)法，最近的生命周期評(píng)估 (LCA) 分析表明，在塔頂制造大型鑄件時(shí)，這種先進(jìn)的制造工藝可能會(huì)減少多達(dá) 15% 的溫室氣體排放。 LCA 還表明，先進(jìn)的制造技術(shù)可以在葉尖制造過(guò)程中減少高達(dá) 10% 的溫室氣體排放，在高渦輪塔制造過(guò)程中減少 25%。

“展望未來(lái)，我們將繼續(xù)與客戶和其他行業(yè)合作伙伴合作，開(kāi)發(fā)有助于加速能源轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新技術(shù)，這與我們專注于使用可持續(xù)循環(huán)設(shè)計(jì)為所有利益相關(guān)者實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益最大化的方式相一致，”貝魯奇總結(jié)道。

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