在该领域率先采用 3D打印的公司是 GE Renewable Energy。 “增材制造有可能在风能行业的成本和性能竞争力方面带来重大变化，”GE 可再生先进制造技术负责人 Matteo Bellucci 说。Bellucci 分享了 GE 正在努力通过 3D 打印提高风力涡轮机效率和性能的最新进展，并讨论了该技术对风能行业的好处。
美国的风能在 2020 年以创纪录的速度增长，陆上风电装置数年来首次超过太阳能装置。与上一年相比，该国的海上风电管道在 2020 年增长了 24%。另一个值得注意的新兴趋势涉及对使用海上风能生产清洁氢气的兴趣增加。为使欧盟 (EU) 到 2026 年实现其 40% 的可再生能源目标，从现在到那时，每年需要安装 32 吉瓦的新风电场。由于全球供应链问题和瓶颈，到 2021 年欧洲的风电装机容量仅为 17.4 吉瓦，3D 打印是否有黄金机会增加其在该领域的应用？
GE 的 Haliade-X 海上风力涡轮机。图片来自通用电气。
利用 3D 打印提升风能竞争力
2021 年 2 月，GE 获得美国能源部 (DoE) 的 670 万美元项目，用于探索 3D 打印风力涡轮机叶片的设计和制造。 GE 与橡树岭国家实验室 (ORNL) 和国家可再生能源实验室 (NREL) 合作，寻求通过利用 3D 打印降低制造成本和提高供应链灵活性来提高陆上和海上风能的竞争力。“已经筛选了几种设计和工艺概念以及新的热塑性材料，从而更清楚地说明我们将如何实现在刀片制造中使用 3D 打印以及其他先进工艺和高度自动化的目标，”贝鲁奇说。他解释说，使用 3D 打印和热塑性复合材料制造的涡轮叶片尖端将有几个好处，包括比传统制造的同类产品更轻。轻量化允许涡轮机上更大的转子产生更多动力，同时减轻整个涡轮机的压力，减少其齿轮箱、传动系统、轴承和基础的磨损，并降低涡轮机操作员的生命周期成本。
3D 打印的热塑性塑料叶片尖端也可以在使用寿命结束时熔化和回收，这是 GE 可再生能源项目的一个重要方面。该团队还在探索涡轮叶片的哪些其他部分可以从 3D 打印技术和热塑性材料中受益，以增加组件的上市时间、质量和可持续性。贝鲁奇表示，3D 打印不仅将为风能行业带来成本和性能竞争力优势，而且该技术还将“帮助 GE Renewable 支持我们的客户，推动能源转型越来越远。”
9 月，弗劳恩霍夫 IGCV 和粘合剂喷射系统制造商 voxeljet 宣布，他们将建造迄今为止“世界上最大的”风力涡轮机 3D 打印机。该系统被称为“Advance Casting Cell”（ACC），专门用于打印为 GE 的海上 Haliade-X 涡轮机铸造零件所需的模具，每个涡轮机的重量可达 60 吨。“该计划仅在几个月前开始，我们仍处于其概念开发的早期阶段，”贝鲁奇说。 “正如我们在去年年底授予该项目时所讨论的那样，该项目旨在加速和优化 GE Haliade-X 海上涡轮机关键铸造部件的生产。具体来说，3D 打印为在海上风电项目附近生产大型涡轮机部件提供了灵活性，降低了运输成本并带来了环境效益。”Bellucci 表示，项目团队目前正在编译打印机的规格细节，然后 voxeljet 将开始项目的设计阶段，包括新打印机的机械结构。
一个 3D 打印的混凝土风力涡轮机塔。图片来自通用电气。
AM 对风能的好处
为了实现减少温室气体排放的宏伟目标，风能已成为应对全球气候危机的日益关注的主题。为此，正在投入大量研究以使风力涡轮机本身更加环保。例如，NREL 开发了一种通过 3D 打印制造风力涡轮机叶片的方法，该方法提高了其性能和报废可回收性，而缅因大学正在研究一种环保型涡轮叶片模具 3D 打印工艺，支持成本为 2.8 美元百万联邦资金。在其他地方，麦吉尔大学和瑞尔森大学的工程师正致力于将风力涡轮机叶片废料转化为用于纤维增强部件的新型 3D 打印 PLA 材料。
关于 GE，“3D 打印技术已经成熟，可以帮助我们制作小型和大型部件的工具，以及对我们工厂运营效率产生直接和直接影响的快速原型制作，”Bellucci 说。 “要将 3D 打印直接应用到我们的产品中，还需要一些时间，但潜力非常大，我们正在积极探索不同的用例。”Bellucci 说，看看风能之外的整个可再生能源组合，GE 认为 3D 打印的所有传统优势取决于相关的用例。这些好处包括上市时间、铸件模具的 3D 打印、更具弹性、本地化和敏捷的供应链，以及主要由技术的自动化和数字化特性驱动的提高质量一致性。
“此外，3D 打印为更高效的设计打开了大门，这些设计可以针对特定位置和应用进行定制，”他继续说道。 “例如，虽然给定地点的风力涡轮机的标准设计可能要求塔高 90 米，但现场更详细的分析可能表明，在风电场的一个特定部分，高 120 米的塔更有意义。“在这种情况下，我们可以在现场 3D 打印 30 米的塔组件，以添加到现有的标准 90 米基地以获得最佳性能。”根据贝鲁奇的说法，这种方法在两个方面比现有做法更可持续。它不仅可以最大限度地利用可产生的清洁、可再生能源总量，而且还可以通过减少需要制造和远距离运输的零件数量来降低项目的碳足迹。
NREL 研究人员的 13 米热塑性刀片原型的一部分。照片来自 NREL 的 Ryan Beach。
通过 3D 打印帮助可再生能源转型
贝鲁奇认为 3D 打印有助于 GE 可再生能源和更广泛的能源部门在许多方面加速向清洁能源发电的过渡。“这通常是一种能源密集度较低的制造过程，产生的废物也更少，例如，3D打印将允许探索新的设计实践，使用拓扑优化等工具，这是一种设计方法，使我们的工程师能够对多种设计进行试验，以找到应对给定挑战的最有效和最具成本效益的解决方案。因此，我们的团队可以使用消耗更少能源的零件来生产并减少浪费。”Bellucci 还指出了该技术在简化制造组装流程和物流方面的潜力，这有助于减少公司的碳足迹。
“3D 打印可以让我们探索通过将几个不同的组件合并为一个部件来改进给定组件设计的方法，”他解释道。 “通常将许多零件制造成单独的组件然后组合在一起的机械组件可以作为一个单元进行增材制造，即使组合单元的几何形状非常复杂，也可以打印和组合零件。”增材制造使 GE 能够减少需要设计和制造的零件数量，从而简化装配过程并提高其产品的耐用性和可靠性。合并有助于更有效的报废拆卸过程，从而提高公司的材料可回收性和循环性。
“3D 打印还可以更轻松地将回收材料和二次材料流融入我们的设计中，”Bellucci 补充道。 “例如，当我们为新的涡轮机 3D 打印塔时，我们正在探索使用将用于回收退役风力涡轮机叶片中生产的材料的方法，有效地交叉授粉我们与 Holcim 的两个有希望的合作伙伴关系。“同样，在美国国防部的支持下，我们正在探索将 3D 打印与热塑性材料结合用于新型先进风力涡轮机叶片的方法。这些 3D 打印创新可以显着减少生产新风力涡轮机所需的材料数量。根据贝鲁奇的说法，最近的生命周期评估 (LCA) 分析表明，在塔顶制造大型铸件时，这种先进的制造工艺可能会减少多达 15% 的温室气体排放。 LCA 还表明，先进的制造技术可以在叶尖制造过程中减少高达 10% 的温室气体排放，在高涡轮塔制造过程中减少 25%。
“展望未来，我们将继续与客户和其他行业合作伙伴合作，开发有助于加速能源转型的创新技术，这与我们专注于使用可持续循环设计为所有利益相关者实现环境效益最大化的方式相一致，”贝鲁奇总结道。