3D打印 的應(yīng)用日益廣泛，遍及各行各業(yè)，越來(lái)越多的公司認(rèn)識(shí)到其在制造流程中的優(yōu)勢(shì)。能源行業(yè)也不例外。根據(jù)Additive Manufacturing Research的報(bào)告，預(yù)計(jì)到2032年，該行業(yè)的3D打印市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到170億歐元。一項(xiàng)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)研究探討了增材制造的機(jī)遇和潛力，尤其是在風(fēng)能等可再生能源領(lǐng)域。研究強(qiáng)調(diào)了3D打印在風(fēng)能關(guān)鍵設(shè)備開(kāi)發(fā)和維護(hù)中的關(guān)鍵作用，從而強(qiáng)調(diào)了充分挖掘其潛力的必要性。

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，尤其是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)技術(shù)有望降低生產(chǎn)成本，同時(shí)能夠根據(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)眾所周知：葉片通常由玻璃纖維增強(qiáng)塑料制成，而這種材料難以回收。

3D打印工藝和所用材料

在風(fēng)能領(lǐng)域最常用的3D打印技術(shù)中，F(xiàn)DM技術(shù)占據(jù)著突出地位。這種方法通常用于制造原型和零件。另一種廣泛使用的方法是SLS（選擇性激光燒結(jié)） ，它使用激光熔化尼龍等粉末材料，然后使其固化形成結(jié)構(gòu)。這種方法的優(yōu)勢(shì)包括原型和成品的穩(wěn)定性，以及風(fēng)能部件的生產(chǎn)，尤其適用于小型零件。此外，粘合劑噴射技術(shù)也經(jīng)常被使用。

DMLS工藝已應(yīng)用于風(fēng)能領(lǐng)域，用于 3D 打印高精度復(fù)雜金屬部件，包括原型、最終組件以及現(xiàn)有風(fēng)力渦輪機(jī)的維修部件。西門(mén)子歌美颯可再生能源公司和維斯塔斯等公司已將其用于風(fēng)力渦輪機(jī)的制造和優(yōu)化。此外，在風(fēng)力渦輪機(jī)原型和外殼的制造中，風(fēng)能行業(yè)經(jīng)常使用PLA和ABS等材料。尼龍、聚酰胺、金屬粉末、玻璃纖維、碳纖維以及樹(shù)脂也用于 3D 打印，以滿足行業(yè)的特定需求。

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

如上所述，3D打印在風(fēng)能領(lǐng)域尤其適用于原型生產(chǎn)。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)了該領(lǐng)域的創(chuàng)新。此外，3D打印能夠創(chuàng)建比傳統(tǒng)方法更復(fù)雜的形狀，從而提高轉(zhuǎn)子葉片的性能，正如柏林工業(yè)大學(xué)的一項(xiàng)研究項(xiàng)目所示。在這項(xiàng)研究中，研究人員使用BigRep 3D打印機(jī)成功打印了一臺(tái)完整的風(fēng)力渦輪機(jī)。

我們還可以根據(jù)客戶需求定制風(fēng)力渦輪機(jī)部件，并根據(jù)渦輪機(jī)的具體位置進(jìn)行精確調(diào)整。3D打印技術(shù)能夠直接在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)部件，并能夠提高靈活性，以便不斷調(diào)整模具和部件。這種方法降低了成型部件的運(yùn)輸成本，從而有助于快速高效地采購(gòu)新的打印模具。在美國(guó)，由于現(xiàn)有的鐵路和公路基礎(chǔ)設(shè)施，運(yùn)輸限制將轉(zhuǎn)子葉片的長(zhǎng)度限制在53至62米之間。因此，3D打印技術(shù)（如果與機(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，尤其是在生產(chǎn)更大、功率更大的設(shè)備方面。

鑒于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的交付周期較長(zhǎng)，3D打印技術(shù)還能更快地按需生產(chǎn)備件。這縮短了訂單和制造交付周期，無(wú)需持續(xù)維持高庫(kù)存水平。此外，這項(xiàng)技術(shù)還能為風(fēng)力渦輪機(jī)打造輕量化、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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)。（圖片來(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很高，這會(huì)導(dǎo)致使用該技術(shù)的成本增加。此外，使用 3D 打印通常難以滿足嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證要求，這也會(huì)導(dǎo)致額外成本。此外，3D 打印的風(fēng)力渦輪機(jī)部件尺寸仍然存在限制，像 ACC 這樣的項(xiàng)目仍然是少數(shù)允許打印超大型風(fēng)力渦輪機(jī)部件的項(xiàng)目之一。鑒于 3D 打印在風(fēng)能領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)仍然相對(duì)有限，3D 打印部件能否長(zhǎng)期保持可靠穩(wěn)定的性能仍有待觀察。

3D打印在風(fēng)力渦輪機(jī)制造中的應(yīng)用

3D打印在風(fēng)力渦輪機(jī)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。具體來(lái)說(shuō)，增材制造技術(shù)用于生產(chǎn)部件和模具，以及新部件的原型設(shè)計(jì)。這種方法可以快速創(chuàng)建原型，以便在批量生產(chǎn)之前進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)。例如，美國(guó)通用電氣 (GE) 集團(tuán)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)了一家專門(mén)用于研究的 3D 打印工廠。GE 還利用 3D 打印技術(shù)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打印技術(shù)的公司是初創(chuàng)公司Orbital Composites，該公司專注于利用現(xiàn)場(chǎng)高通量大規(guī)模增材制造技術(shù)生產(chǎn)渦輪機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片、基座和塔架。通過(guò)該項(xiàng)目，Orbital Composites旨在展示和驗(yàn)證其3D打印機(jī)器人在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片制造中的應(yīng)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)力渦輪機(jī)葉片的系統(tǒng)，以及直接在海上船舶上安裝海上風(fēng)力渦輪機(jī)的系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，這家初創(chuàng)公司正在與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和緬因大學(xué)合作，他們的研究成果將在后面的部分討論。Orbital Composites已從美國(guó)能源部（DOE）和能源效率與可再生能源辦公室（EERE）獲得400萬(wàn)美元的資助。

照片來(lái)源：Soleolico

西班牙公司Soleolico曾利用3D打印技術(shù)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)。該裝置以其能夠同時(shí)產(chǎn)生風(fēng)能和太陽(yáng)能并吸收二氧化碳的能力而聞名。為了實(shí)現(xiàn)這一創(chuàng)新項(xiàng)目，Soleolico采用了Pure Tech的3D打印工藝，歷時(shí)10年研發(fā)，預(yù)計(jì)于2023年10月完成。

風(fēng)能3D打印研究

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)開(kāi)展的“3D打印助力風(fēng)力渦輪機(jī)研究”項(xiàng)目。該團(tuán)隊(duì)由技術(shù)工程師Immanuel Dorn和工程學(xué)碩士生兼項(xiàng)目指導(dǎo)老師Sascha Krumbein領(lǐng)導(dǎo)，致力于研究如何利用3D打印技術(shù)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。研究人員從氣動(dòng)設(shè)計(jì)入手，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，涉及填充和材料選擇，因此需要經(jīng)過(guò)多個(gè)迭代周期來(lái)調(diào)整和調(diào)整所用材料。最后，該團(tuán)隊(duì)在風(fēng)洞中進(jìn)行了“真實(shí)”氣動(dòng)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)正在探索該領(lǐng)域的研究。例如，印第安納州的普渡大學(xué)與RCAM Technologies公司和Floating Wind Technology公司合作，致力于開(kāi)發(fā)更具成本效益的混凝土渦輪機(jī)錨和結(jié)構(gòu)，同時(shí)探索風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片工具的增材制造技術(shù)。該項(xiàng)目由多家公司合作開(kāi)展，并獲得了美國(guó)能源部（DOE）280萬(wàn)美元的資助，旨在通過(guò)3D打印技術(shù)加快工具制造速度并降低成品成本。

作為“3D打印助力風(fēng)力渦輪機(jī)研究”項(xiàng)目的一部分，柏林工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)正在研究如何利用3D打印技術(shù)優(yōu)化轉(zhuǎn)子葉片。（圖片來(lái)源：BigRep）

風(fēng)能行業(yè)3D打印補(bǔ)貼

多個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)獲得資助，其中包括聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部 (BMWi) 的資助，例如“先進(jìn)鑄造單元”(ACC) 項(xiàng)目。該項(xiàng)目以用于制作砂型的大幅面 3D 打印機(jī)命名，弗勞恩霍夫工程、復(fù)合材料和加工研究所(IGCV) 也參與其中，作為合作伙伴，負(fù)責(zé)材料技術(shù)方面和數(shù)字過(guò)程監(jiān)控。巴伐利亞 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，用于金屬鑄造 GE Haliade-X 風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙的各種關(guān)鍵部件。所使用的 3D 打印機(jī)用于生產(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)力渦輪機(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。這種方法還能減少風(fēng)力渦輪機(jī)生產(chǎn)的碳足跡。

IFAF 為 3D 打印在風(fēng)能領(lǐng)域的應(yīng)用提供了進(jìn)一步的支持，目前它正在支持 Winddruck 項(xiàng)目，該項(xiàng)目計(jì)劃于 2024 年 9 月完成。該項(xiàng)目旨在利用 3D 打印技術(shù)經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)地大規(guī)模生產(chǎn)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。此外，該項(xiàng)目還在探索未來(lái)利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。

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3D打印在風(fēng)能領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，展現(xiàn)出巨大的創(chuàng)新和效率提升潛力。世界各地的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并正在投資增材制造方法的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。3D打印的應(yīng)用范圍廣泛，從原型和組件的生產(chǎn)到整臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)的制造，應(yīng)有盡有。它們具備傳統(tǒng)制造方法無(wú)法比擬的靈活性和適應(yīng)性。盡管挑戰(zhàn)依然存在，但3D打印在風(fēng)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，有望推動(dòng)該行業(yè)的可持續(xù)轉(zhuǎn)型，并進(jìn)一步改善清潔能源的獲取。

編譯整理：3dnatives