GE可再生能源公司：3D打印助力風(fēng)能領(lǐng)域

2022年3月，南極熊獲悉，率先在風(fēng)能領(lǐng)域采用3D打印技術(shù)的GE可再生能源公司已在推動能源技術(shù)創(chuàng)新方面取得了初步進展。GE可再生能源先進制造技術(shù)負責(zé)人Matteo Bellucci說："增材制造技術(shù)可能降低風(fēng)能行業(yè)的成本并提高風(fēng)能行業(yè)的競爭力。”

美國的風(fēng)能利用率在2020年高速增長，陸地風(fēng)能發(fā)電裝置的安裝量首次超過了太陽能發(fā)電的安裝量。2020年海上風(fēng)電管道的安裝量比前一年增長了24%。歐盟（EU）要想在2026年實現(xiàn)使用40%的可再生能源的目標(biāo)，需要每年需要安裝32GW的新風(fēng)場。由于全球供應(yīng)鏈問題和瓶頸，2021年歐洲的風(fēng)力安裝量僅為17.4GW。所以，人們思考了這樣一個問題：3D打印是否能幫助增加風(fēng)力安裝量？

△GE的Haliade-X海上風(fēng)力渦輪機，圖片照片來自GE。

3D打印提高風(fēng)能的競爭力

南極熊獲悉，2021年2月，GE獲得了美國能源部（DoE）670萬美元的項目，研究3D打印風(fēng)力渦輪機葉片的設(shè)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，試圖通過利用3D打印來降低制造成本和提高供應(yīng)鏈的靈活性從而提高陸上和海上風(fēng)能的競爭力。

Bellucci說："GE已經(jīng)確定了一些渦輪機的設(shè)計和制造工藝，以及新的熱塑性材料，從而更清楚地說明了我們將如何實現(xiàn)在刀葉片制造中使用 3D 打印以及其他先進工藝和高度自動化工藝的目標(biāo)�！�

他解釋說，使用3D打印和熱塑性復(fù)合材料制造的渦輪機葉片尖端有幾個優(yōu)勢。首先，與傳統(tǒng)制造的同類產(chǎn)品相比，用3D打印制造的葉片尖端更輕。輕量化可以使渦輪機上的大轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更多的能量，同時也可以減輕整個渦輪機的壓力，減少齒輪箱、傳動系統(tǒng)、軸承和基礎(chǔ)的磨損，并降低渦輪機運營商的成本。其次，3D打印的熱塑性葉片尖端也可以在其達到壽命時被熔化和回收，這是GE可再生能源項目中重點關(guān)注的一個方面。GE研究團隊還在研究如何用3D打印技術(shù)和熱塑性材料制造渦輪機葉片的其他部分，以提高葉片各個組件的上市時間、質(zhì)量和可持續(xù)性。

Bellucci說：“3D打印不僅會給風(fēng)能領(lǐng)域帶來成本和性能上的競爭優(yōu)勢，而且該技術(shù)還將幫助助我們的客戶更遠且更快地推動能源轉(zhuǎn)型。"Fraunhofer IGCV 和粘結(jié)劑噴射系統(tǒng)制造商voxeljet宣布將在2022年9月建造迄今為止 "世界上最大的 "風(fēng)力渦輪3D打印機“。該系統(tǒng)被稱為 "高級鑄造單元"（ACC），專門用于打印GE的Haliade-X海上渦輪機鑄造零件所需的模具，每個零件的重量可高達60噸。這個項目在幾個月前才開始，現(xiàn)在仍然處于發(fā)展的早期階段，該項目是為了加速和優(yōu)化GE Haliade-X海上渦輪機的關(guān)鍵鑄造部件的生產(chǎn)。可以說，3D打印為生產(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"。GE項目團隊目前正在商榷打印機的各個規(guī)格細節(jié)，然后voxeljet將開始項目的設(shè)計階段，包括新打印機的機械裝置等。

△3D打印的混凝土風(fēng)力渦輪機，圖片來自GE。

增材制造（AM）在風(fēng)能領(lǐng)域的優(yōu)勢

為了實現(xiàn)減少溫室氣體排放的目標(biāo)，人們已將風(fēng)能視為解決全球氣候危機關(guān)鍵，正在投入大量研究以使風(fēng)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(fēng)力渦輪機葉片的方法，該方法提高了葉片的使用性能和可回收性能；緬因大學(xué)正在研究一種環(huán)保型渦輪葉片模具的3D打印工藝；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。Bellucci 說：“3D打印技術(shù)已經(jīng)較為成熟，可以幫助我們制作小型和大型部件，以及對我們工廠運營效率產(chǎn)生直接影響的快速原型，但要將3D打印直接應(yīng)用到我們的產(chǎn)品中，還需要一些時間我們正在積極探索不同的方案�！�

他還說，GE認為3D打印的優(yōu)勢取決于具體的應(yīng)用場景。這些優(yōu)勢包括制造時間、鑄件模具的3D打印、更具彈性、本地化和敏捷的供應(yīng)鏈，以及主要由該技術(shù)的自動化和數(shù)字化特性產(chǎn)生的質(zhì)量一致性。 此外，3D 打印為更高效的設(shè)計打開了大門，這些設(shè)計可以針對特定位置和應(yīng)用進行定制，例如，雖然之前在給定地點的風(fēng)力渦輪機的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計要求塔90米，但經(jīng)現(xiàn)場實地考察后，發(fā)現(xiàn)高120米的塔更合適時，我們可以在現(xiàn)場3D打印30米高的塔組件，以添加到現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)90米塔底上，從而獲得最佳性能。

根據(jù)Bellucci的說法，這種制造過程不僅可以最大限度地利用清潔且可再生的能源而且還可以通過減少需要制造和遠距離運輸?shù)牧慵��?shù)量來降低碳排放。

△NREL研究人員利用3D打印制作的13米熱塑性刀片原型的一部分。照片來自 NREL 的 Ryan Beach。

3D打印助力可再生能源的轉(zhuǎn)型

Bellucci認為3D打印有助于GE可再生能源等部門在許多方面加速向清潔能源發(fā)電的過渡。他說：“3D打印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 打印能夠探索新的設(shè)計實踐，使用拓撲優(yōu)化等工具，使我們的工程師能夠?qū)Χ喾N設(shè)計進行試驗，以找到最有效和最具經(jīng)濟的解決方案。因此，我們的團隊可以生產(chǎn)使用消耗能源較少的零件并減少浪費�！�

Bellucci還指出了該技術(shù)在簡化制造組裝流程和物流方面的能力，有助于減少公司的碳排放。他說：“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(shè)計的方法。傳統(tǒng)制造中，人們通常將一個機械件的各個組件單獨制造，然后將這些組件進行組裝。而增材制造可以將組合單元進行整體制造，減少了組裝環(huán)節(jié)。增材制造使GE能夠減少需要設(shè)計和制造的零件數(shù)量，從而簡化裝配過程并提高產(chǎn)品的耐用性和可靠性。組合制造有助于更有效的減少拆卸過程，從而提高公司的材料可回收性和循環(huán)性。3D打印還可以更便捷地將回收材料和二次材料應(yīng)用于我們的設(shè)計中，例如，當(dāng)我們?yōu)樾聹u輪機制造3D打印塔時，使用從報廢的風(fēng)力渦輪機上回收的葉片材料。在美國國防部的支持下，我們正在探索將3D打印與熱塑性材料結(jié)合用于新型先進風(fēng)力渦輪機葉片的制造方法�！�

3D打印可以顯著減少生產(chǎn)新風(fēng)力渦輪機所需的材料數(shù)量。根據(jù)Bellucci的說法，生命周期評估 (LCA) 分析表明，在塔頂制造大型鑄件時，3D制造工藝會減少高達15%的溫室氣體排放。LCA 還表明，先進的制造技術(shù)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%的的溫室氣體排放。

Bellucci 總結(jié)道：“展望未來，我們將繼續(xù)與客戶和其他行業(yè)合作伙伴展開合作，開發(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)計實現(xiàn)環(huán)境效益最大化的目標(biāo)相一致�！�

△運往布洛克島海上風(fēng)電場的渦輪葉片，圖片來自 LM Wind Power。

編譯來源：https://3dprintingindustry.com/n ... inting-wind-205254/