3D打印在风能领域的应用

3D打印的使用日益广泛，遍及各个行业，越来越多的公司认识到它在制造过程中的优势。能源行业也不例外。根据“增材制造研究”的一份报告，该领域的3D打印市场预计到2032年将达到170亿欧元。题为“能源领域的增材制造：市场分析与预测”的详细研究探讨了机遇和潜力增材制造的发展，特别是风能等可再生能源领域。重点强调了3D打印在基本风能设备的开发和维护中的关键作用，强调需要充分挖掘其潜力。

市场参与者越来越认识到3D打印在可再生能源领域，特别是风能领域的好处。该技术提供了降低生产成本的机会，同时允许根据每个地点的具体需求定制尺寸。此外，传统风力涡轮机制造方法带来的挑战是众所周知的：叶片通常由玻璃纤维增强塑料制成，这是一种难以回收的材料。

◆3D打印工艺及所用材料

在风能领域最常用的3D打印技术中，FDM技术占有特殊的地位。通常选择这种方法来制造原型和零件。另一种广泛使用的方法是SLS，它使用激光熔化尼龙等粉末材料，然后将其固化形成结构。这种方法的优点包括原型和成品的稳定性，以及风能组件的生产，特别适合小型零件。此外，还经常使用粘合剂喷射技术。

DMLS工艺已在风能领域得到应用，用于高精度和复杂金属部件的3D打印，无论是原型、最终部件还是现有风力涡轮机的维修。西门子歌美飒可再生能源公司和维斯塔斯等公司已经利用它来制造和优化其涡轮机。此外，在风力涡轮机原型和外壳的制造中，风力行业经常使用PLA和ABS等材料。尼龙、聚酰胺、金属粉末、玻璃和碳纤维以及树脂也用于3D打印，以满足特定的行业需求。

◆3D打印在风能领域的优势和局限性

正如我们已经提到的，风能领域的3D打印特别适合原型的制作。这种效率源于该技术能够经济、快速地生产零件，从而促进该领域的创新。此外，正如柏林技术大学开展的一项研究项目所表明的那样，3D打印提供了制造比传统方法更复杂的形状的可能性，这使得提高转子叶片的性能成为可能。作为这项研究的一部分，研究人员使用BigRep 3D打印机成功打印了整个风力涡轮机。

还可以为客户设计定制的风力涡轮机零件，使其精确适应风力涡轮机的位置。3D打印的使用提供了直接在现场生产组件的可能性，并提高了不断调整模具和组件的灵活性。这种方法降低了模制零件的运输成本，使其更容易快速且经济高效地采购新的印刷模具。在美国，由于现有的铁路和公路基础设施，运输限制对转子叶片的长度限制为53至62 m。这就是为什么3D打印（可能与机器人技术相结合）在实现现场制造方面具有巨大潜力，特别是对于生产更大、更强大的设备。

鉴于传统生产方法的交货时间较长，3D打印还能够更快地按需生产替换零件。这减少了订购和制造交货时间，从而无需持续保持高水平的库存。此外，该技术为风力涡轮机创造了轻质且复杂的结构，这有助于减轻其整体重量。
尽管3D打印在降低原型生产成本方面具有优势，但3D打印机和必要材料的初始投资仍然非常高，这可能会在使用该技术时产生成本。此外，使用3D打印通常很难满足标准和认证的严格要求，这也会导致额外的成本。此外，可3D打印的风力涡轮机零件的尺寸仍然存在限制，ACC等项目仍然是少数允许打印超大型风力涡轮机零件的项目之一。由于3D打印在风能领域的经验还比较有限，随着时间的推移，3D打印部件是否具有可靠、稳定的特性还有待确定。

◆3D打印在风力发电机制造中的应用

3D打印发挥着至关重要的作用，应用于整个风力涡轮机生产过程的各个方面。特别是，增材制造用于组件和模具的生产，以及新组件原型的生产。这种方法可以快速创建原型，以便在大规模生产之前对其进行测试和改进。例如，美国通用电气集团（GE）于2019年开始3D打印大型风力涡轮机部件，并于2021年在美国开设了一家3D打印工厂，专门用于研究。GE还使用3D打印为其GE9X发动机制造更轻的涡轮叶片。

另一家在该领域利用3D打印的公司是初创公司Orbital Composites，该公司专门利用现场增材制造、高产量和大规模生产涡轮机、风力叶片、地基和塔架。作为该项目的一部分，Orbital Composites旨在演示和验证其3D打印机器人在风力涡轮机叶片制造中的使用。该公司还计划开发能够3D打印长度超过100米的风力叶片以及直接安装在海上船舶上的海上风力涡轮机的系统。为了实现这些目标，该初创公司正在与橡树岭国家实验室合作。

ORNL）和缅因大学，其研究将在后面的部分中讨论。Orbital Composites已获得美国能源部(DOE)以及能源效率和可再生能源办公室(EERE)高达400万美元的财政支持。
过去，西班牙公司Soleolico利用3D打印设计了世界上第一台配备光伏板的风力涡轮机。该装置因其能够产生风能和太阳能、同时吸收二氧化碳的能力而脱颖而出。对于这个创新项目，Soleolico采用了Pure Tech的3D打印工艺，需要10年的开发时间，直到2023年10月。

◆3D打印在风能领域的研究

全球多所大学的研究人员正在探索3D打印在风能领域的应用，例如柏林工业大学的项目名为“3D打印为风力涡轮机研究提供动力”。在技术工程师Immanuel Dorn和工程硕士生兼项目讲师Sascha Krumbein的带领下，该团队正在研究使用3D打印来优化转子叶片。他们的工作包括在大型风洞中测试不同的叶片配置，并评估使用各种3D打印材料进行多次生产迭代的转子的性能。研究人员从空气动力学设计开始，然后转向结构设计，涉及填充和材料选择，因此需要多次迭代周期来调整和适应所使用的材料。最后，该团队在风洞中进行了“真实世界”空气动力学测试，包括碰撞测试，以评估叶片的性能。

此外，许多美国大学也正在重点开展这方面的研究。例如，印第安纳州普渡大学与RCAM Technologies和Floating Wind Technology Company合作，正在致力于开发更具成本效益的混凝土锚和涡轮机结构，同时也在探索风力涡轮机转子叶片工具的增材制造。该项目与多家公司合作开展，并得到美国能源部(DOE)280万美元的财政支持，旨在通过3D打印加速工具制造并降低成品成本。
3D打印在风能领域的应用变得越来越重要，并显示出创新和效率提升的巨大潜力。世界各地的公司和研究机构正在认识到这项技术的好处，并正在投资增材制造方法的开发和应用。3D打印的多种应用范围从原型和组件的生产延伸到整个风力涡轮机的制造。它们实现了传统制造方法无法提供的灵活性和适应性。尽管挑战依然存在，但3D打印在风能领域的道路是开放的，可以可持续地改变该行业并进一步改善清洁能源的获取。