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

在該領(lǐng)(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)(fēng)能行業(yè)(yè)的成本和性能競爭力方面帶來(lái)重大變化，”GE 可再生先進(jìn)制造技術(shù)(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)(fēng)力渦輪機效率和性能的最新進(jìn)展，并討論了該技術(shù)(shù)對風(fēng)(fēng)能行業(yè)(yè)的好處。

美國的風(fēng)(fēng)能在 2020 年以創(chuàng )(chuàng)紀(jì)錄的速度增長(cháng)，陸上風(fēng)(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，該國的海上風(fēng)(fēng)電管道在 2020 年增長(cháng)了 24%。另一個(gè)值得注意的新興趨勢涉及對使用海上風(fēng)(fēng)能生產(chǎn)(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)(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)(fēng)電裝機容量?jì)H為 17.4 吉瓦，3D 打印是否有黃金機會(huì )增加其在該領(lǐng)(lǐng)域的應(yīng)用？

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

利用 3D 打印提升風(fēng)(fēng)能競爭力

2021 年 2 月，GE 獲得美國能源部 (DoE) 的 670 萬(wàn)美元項目，用于探索 3D 打印風(fēng)(fēng)力渦輪機葉片的設(shè)計和制造。 GE 與橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室 (ORNL) 和國家可再生能源實(shí)驗室 (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)(fēng)能的競爭力?！耙呀?jīng)(jīng)篩選了幾種設(shè)計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(lèi)產(chǎn)(chǎn)品更輕。輕量化允許渦輪機上更大的轉(zhuǎn)子產(chǎn)(chǎn)生更多動(dòng)力，同時(shí)減輕整個(gè)渦輪機的壓力，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 可再生能源項目的一個(gè)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(shù)(shù)和熱塑性材料中受益，以增加組件的上市時(shí)間、質(zhì)(zhì)量和可持續(xù)性。貝魯奇表示，3D 打印不僅將為風(fēng)(fēng)能行業(yè)(yè)帶來(lái)成本和性能競爭力優(yōu)(yōu)勢，而且該技術(shù)(shù)還將“幫助 GE Renewable 支持我們的客戶(hù)，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)(fēng)力渦輪機 3D 打印機。該系統(tǒng)被稱(chēng)為“Advance Casting Cell”（ACC），專(zhuān)門(mén)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(gè)渦輪機的重量可達 60 噸?！霸撚媱潈H在幾個(gè)月前開(kāi)始，我們?nèi)蘊幱諂涓拍鉍_發(fā)(fā)的早期階段，”貝魯奇說(shuō)。 “正如我們在去年年底授予該項目時(shí)所討論的那樣，該項目旨在加速和優(yōu)(yōu)化 GE Haliade-X 海上渦輪機關(guān)(guān)鍵鑄造部件的生產(chǎn)(chǎn)。具體來(lái)說(shuō)，3D 打印為在海上風(fēng)(fēng)電項目附近生產(chǎn)(chǎn)大型渦輪機部件提供了靈活性，降低了運輸成本并帶來(lái)了環(huán)(huán)境效益?！?/span>Bellucci 表示，項目團隊目前正在編譯打印機的規(guī)格細(xì)節(jié)，然后 voxeljet 將開(kāi)始項目的設(shè)計階段，包括新打印機的機械結(jié)構(gòu)。

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

AM 對風(fēng)(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)(fēng)能已成為應(yīng)對全球氣候危機的日益關(guān)(guān)注的主題。為此，正在投入大量研究以使風(fēng)(fēng)力渦輪機本身更加環(huán)(huán)保。例如，NREL 開(kāi)發(fā)(fā)了一種通過(guò) 3D 打印制造風(fēng)(fēng)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(xué)(xué)正在研究一種環(huán)(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)(lián)邦資金。在其他地方，麥吉爾大學(xué)(xué)和瑞爾森大學(xué)(xué)的工程師正致力于將風(fēng)(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。

關(guān)(guān)于 GE，“3D 打印技術(shù)(shù)已經(jīng)(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(chǎng)運營(yíng)效率產(chǎn)(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)(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?！?/span>Bellucci 說(shuō)，看看風(fēng)(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)(yōu)勢取決于相關(guān)(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)(shù)的自動(dòng)化和數(shù)字化特性驅(qū)動(dòng)的提高質(zhì)(zhì)量一致性。

“此外，3D 打印為更高效的設(shè)計打開(kāi)了大門(mén)，這些設(shè)計可以針對特定位置和應(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)(fēng)力渦輪機的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計可能要求塔高 90 米，但現(xiàn)場(chǎng)更詳細(xì)的分析可能表明，在風(fēng)(fēng)電場(chǎng)的一個(gè)特定部分，高 120 米的塔更有意義?！霸讖@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?！備鶕?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)(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)距離運輸?shù)牧慵?shù)量來(lái)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(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)(fā)電的過(guò)渡?！斑@通常是一種能源密集度較低的制造過(guò)程，產(chǎn)(chǎn)生的廢物也更少，例如，3D 打印將允許探索新的設(shè)計實(shí)踐，使用拓?fù)鋬?yōu)化等工具，這是一種設(shè)計方法，使我們的工程師能夠?qū)Χ嚳N設(shè)計進(jìn)行試驗，以找到應(yīng)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(lái)生產(chǎn)(chǎn)并減少浪費?！?/span>Bellucci 還指出了該技術(shù)(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(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?！痹霾鬧圃焓?GE 能夠減少需要設(shè)計和制造的零件數(shù)量，從而簡(jiǎn)化裝配過(guò)程并提高其產(chǎn)(chǎn)品的耐用性和可靠性。合并有助于更有效的報廢拆卸過(guò)程，從而提高公司的材料可回收性和循環(huán)(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)計中，”Bellucci 補充道。 “例如，當(dāng)我們?yōu)樾碌臏u輪機 3D 打印塔時(shí)，我們正在探索使用將用于回收退役風(fēng)(fēng)力渦輪機葉片中生產(chǎn)(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)(guān)系?！巴瑯?，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(jìn)風(fēng)(fēng)力渦輪機葉片的方法。這些 3D 打印創(chuàng )(chuàng)新可以顯著(zhù)減少生產(chǎn)(chǎn)新風(fēng)(fēng)力渦輪機所需的材料數(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 15% 的溫室氣體排放。 LCA 還表明，先進(jìn)的制造技術(shù)(shù)可以在葉尖制造過(guò)程中減少高達 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(hù)和其他行業(yè)(yè)合作伙伴合作，開(kāi)發(fā)(fā)有助于加速能源轉(zhuǎn)型的創(chuàng )(chuàng)新技術(shù)(shù)，這與我們專(zhuān)注于使用可持續(xù)循環(huán)(huán)設(shè)計為所有利益相關(guān)(guān)者實(shí)現(xiàn)環(huán)(huán)境效益最大化的方式相一致，”貝魯奇總結(jié)道。

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