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通過3D打印推動可再生能源轉(zhuǎn)型：風能

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關于 3D 打印和可再生能源的 3D 打印行業(yè)訪談系列轉(zhuǎn)向風能領域的增材制造。

在該領域率先采用 3D打印的公司是 GE Renewable Energy。 “增材制造有可能在風能行業(yè)的成本和性能競爭力方面帶來重大變化，”GE 可再生先進制造技術負責人 Matteo Bellucci 說。Bellucci 分享了 GE 正在努力通過 3D 打印提高風力渦輪機效率和性能的最新進展，并討論了該技術對風能行業(yè)的好處。

美國的風能在 2020 年以創(chuàng)紀錄的速度增長，陸上風電裝置數(shù)年來首次超過太陽能裝置。與上一年相比，該國的海上風電管道在 2020 年增長了 24%。另一個值得注意的新興趨勢涉及對使用海上風能生產(chǎn)清潔氫氣的興趣增加。為使歐盟 (EU) 到 2026 年實現(xiàn)其 40% 的可再生能源目標，從現(xiàn)在到那時，每年需要安裝 32 吉瓦的新風電場。由于全球供應鏈問題和瓶頸，到 2021 年歐洲的風電裝機容量僅為 17.4 吉瓦，3D 打印是否有黃金機會增加其在該領域的應用？

GE 的 Haliade-X 海上風力渦輪機。圖片來自通用電氣。

利用 3D 打印提升風能競爭力

2021 年 2 月，GE 獲得美國能源部 (DoE) 的 670 萬美元項目，用于探索 3D 打印風力渦輪機葉片的設計和制造。 GE 與橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 和國家可再生能源實驗室 (NREL) 合作，尋求通過利用 3D 打印降低制造成本和提高供應鏈靈活性來提高陸上和海上風能的競爭力。“已經(jīng)篩選了幾種設計和工藝概念以及新的熱塑性材料，從而更清楚地說明我們將如何實現(xiàn)在刀片制造中使用 3D 打印以及其他先進工藝和高度自動化的目標，”貝魯奇說。他解釋說，使用 3D 打印和熱塑性復合材料制造的渦輪葉片尖端將有幾個好處，包括比傳統(tǒng)制造的同類產(chǎn)品更輕。輕量化允許渦輪機上更大的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更多動力，同時減輕整個渦輪機的壓力，減少其齒輪箱、傳動系統(tǒng)、軸承和基礎的磨損，并降低渦輪機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束時熔化和回收，這是 GE 可再生能源項目的一個重要方面。該團隊還在探索渦輪葉片的哪些其他部分可以從 3D 打印技術和熱塑性材料中受益，以增加組件的上市時間、質(zhì)量和可持續(xù)性。貝魯奇表示，3D 打印不僅將為風能行業(yè)帶來成本和性能競爭力優(yōu)勢，而且該技術還將“幫助 GE Renewable 支持我們的客戶，推動能源轉(zhuǎn)型越來越遠?！?/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”風力渦輪機 3D 打印機。該系統(tǒng)被稱為“Advance Casting Cell”（ACC），專門用于打印為 GE 的海上 Haliade-X 渦輪機鑄造零件所需的模具，每個渦輪機的重量可達 60 噸?！霸撚媱潈H在幾個月前開始，我們?nèi)蕴幱谄涓拍铋_發(fā)的早期階段，”貝魯奇說。 “正如我們在去年年底授予該項目時所討論的那樣，該項目旨在加速和優(yōu)化 GE Haliade-X 海上渦輪機關鍵鑄造部件的生產(chǎn)。具體來說，3D 打印為在海上風電項目附近生產(chǎn)大型渦輪機部件提供了靈活性，降低了運輸成本并帶來了環(huán)境效益。”Bellucci 表示，項目團隊目前正在編譯打印機的規(guī)格細節(jié)，然后 voxeljet 將開始項目的設計階段，包括新打印機的機械結構。

一個 3D 打印的混凝土風力渦輪機塔。圖片來自通用電氣。

AM 對風能的好處

為了實現(xiàn)減少溫室氣體排放的宏偉目標，風能已成為應對全球氣候危機的日益關注的主題。為此，正在投入大量研究以使風力渦輪機本身更加環(huán)保。例如，NREL 開發(fā)了一種通過 3D 打印制造風力渦輪機葉片的方法，該方法提高了其性能和報廢可回收性，而緬因大學正在研究一種環(huán)保型渦輪葉片模具 3D 打印工藝，支持成本為 2.8 美元百萬聯(lián)邦資金。在其他地方，麥吉爾大學和瑞爾森大學的工程師正致力于將風力渦輪機葉片廢料轉(zhuǎn)化為用于纖維增強部件的新型 3D 打印 PLA 材料。

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

“此外，3D 打印為更高效的設計打開了大門，這些設計可以針對特定位置和應用進行定制，”他繼續(xù)說道。 “例如，雖然給定地點的風力渦輪機的標準設計可能要求塔高 90 米，但現(xiàn)場更詳細的分析可能表明，在風電場的一個特定部分，高 120 米的塔更有意義?！霸谶@種情況下，我們可以在現(xiàn)場 3D 打印 30 米的塔組件，以添加到現(xiàn)有的標準 90 米基地以獲得最佳性能?！备鶕?jù)貝魯奇的說法，這種方法在兩個方面比現(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，而且還可以通過減少需要制造和遠距離運輸?shù)牧慵?shù)量來降低項目的碳足跡。

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

通過 3D 打印幫助可再生能源轉(zhuǎn)型

貝魯奇認為 3D 打印有助于 GE 可再生能源和更廣泛的能源部門在許多方面加速向清潔能源發(fā)電的過渡?！斑@通常是一種能源密集度較低的制造過程，產(chǎn)生的廢物也更少，例如，3D 打印將允許探索新的設計實踐，使用拓撲優(yōu)化等工具，這是一種設計方法，使我們的工程師能夠?qū)Χ喾N設計進行試驗，以找到應對給定挑戰(zhàn)的最有效和最具成本效益的解決方案。因此，我們的團隊可以使用消耗更少能源的零件來生產(chǎn)并減少浪費?！?/span>Bellucci 還指出了該技術在簡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將幾個不同的組件合并為一個部件來改進給定組件設計的方法，”他解釋道。 “通常將許多零件制造成單獨的組件然后組合在一起的機械組件可以作為一個單元進行增材制造，即使組合單元的幾何形狀非常復雜，也可以打印和組合零件?！痹霾闹圃焓?GE 能夠減少需要設計和制造的零件數(shù)量，從而簡化裝配過程并提高其產(chǎn)品的耐用性和可靠性。合并有助于更有效的報廢拆卸過程，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計中，”Bellucci 補充道。 “例如，當我們?yōu)樾碌臏u輪機 3D 打印塔時，我們正在探索使用將用于回收退役風力渦輪機葉片中生產(chǎn)的材料的方法，有效地交叉授粉我們與 Holcim 的兩個有希望的合作伙伴關系?！巴瑯樱诿绹鴩啦康闹С窒?，我們正在探索將 3D 打印與熱塑性材料結合用于新型先進風力渦輪機葉片的方法。這些 3D 打印創(chuàng)新可以顯著減少生產(chǎn)新風力渦輪機所需的材料數(shù)量。根據(jù)貝魯奇的說法，最近的生命周期評估 (LCA) 分析表明，在塔頂制造大型鑄件時，這種先進的制造工藝可能會減少多達 15% 的溫室氣體排放。 LCA 還表明，先進的制造技術可以在葉尖制造過程中減少高達 10% 的溫室氣體排放，在高渦輪塔制造過程中減少 25%。