風能領域的3D打印 
3D打印 的應用日益廣泛，遍及各行各業，越來越多的公司認識到其在制造流程中的優勢。能源行業也不例外。根據Additive Manufacturing Research的報告，預計到2032年，該行業的3D打印市場規模將達到170億歐元。一項題為“能源領域的增材制造：市場分析與預測”的詳細研究探討了增材制造的機遇和潛力，尤其是在風能等可再生能源領域。研究強調了3D打印在風能關鍵設備開發和維護中的關鍵作用，從而強調了充分挖掘其潛力的必要性。
市場參與者越來越認識到3D打印在可再生能源領域，尤其是風力發電領域的優勢。這項技術有望降低生產成本，同時能夠根據每個地點的具體需求定制尺寸。此外，傳統風力渦輪機制造方法帶來的挑戰眾所周知：葉片通常由玻璃纖維增強塑料制成，而這種材料難以回收。
3D打印工藝和所用材料
在風能領域最常用的3D打印技術中，FDM技術占據著突出地位。這種方法通常用于制造原型和零件。另一種廣泛使用的方法是SLS（選擇性激光燒結） ，它使用激光熔化尼龍等粉末材料，然后使其固化形成結構。這種方法的優勢包括原型和成品的穩定性，以及風能部件的生產，尤其適用于小型零件。此外，粘合劑噴射技術也經常被使用。
DMLS工藝已應用于風能領域，用于 3D 打印高精度復雜金屬部件，包括原型、最終組件以及現有風力渦輪機的維修部件。西門子歌美颯可再生能源公司和維斯塔斯等公司已將其用于風力渦輪機的制造和優化。此外，在風力渦輪機原型和外殼的制造中，風能行業經常使用PLA和ABS等材料。尼龍、聚酰胺、金屬粉末、玻璃纖維、碳纖維以及樹脂也用于 3D 打印，以滿足行業的特定需求。
3D打印在風能領域的優勢與局限性
如上所述，3D打印在風能領域尤其適用于原型生產。這種效率源于該技術能夠經濟快速地生產零件，從而促進了該領域的創新。此外，3D打印能夠創建比傳統方法更復雜的形狀，從而提高轉子葉片的性能，正如柏林工業大學的一項研究項目所示。在這項研究中，研究人員使用BigRep 3D打印機成功打印了一臺完整的風力渦輪機。
我們還可以根據客戶需求定制風力渦輪機部件，并根據渦輪機的具體位置進行精確調整。3D打印技術能夠直接在現場生產部件，并能夠提高靈活性，以便不斷調整模具和部件。這種方法降低了成型部件的運輸成本，從而有助于快速高效地采購新的打印模具。在美國，由于現有的鐵路和公路基礎設施，運輸限制將轉子葉片的長度限制在53至62米之間。因此，3D打印技術（如果與機器人技術相結合）在實現現場制造方面具有巨大潛力，尤其是在生產更大、功率更大的設備方面。
鑒于傳統生產方式的交付周期較長，3D打印技術還能更快地按需生產備件。這縮短了訂單和制造交付周期，無需持續維持高庫存水平。此外，這項技術還能為風力渦輪機打造輕量化、復雜的結構，有助于減輕其整體重量。
3D打印的優勢在于能夠直接在現場生產風力渦輪機。（圖片來源：en-former）
盡管 3D 打印在降低原型生產成本方面具有優勢，但 3D 打印機和必要材料的初始投資仍然很高，這會導致使用該技術的成本增加。此外，使用 3D 打印通常難以滿足嚴格的標準和認證要求，這也會導致額外成本。此外，3D 打印的風力渦輪機部件尺寸仍然存在限制，像 ACC 這樣的項目仍然是少數允許打印超大型風力渦輪機部件的項目之一。鑒于 3D 打印在風能領域的經驗仍然相對有限，3D 打印部件能否長期保持可靠穩定的性能仍有待觀察。
3D打印在風力渦輪機制造中的應用
3D打印在風力渦輪機生產的各個環節中發揮著至關重要的作用。具體來說，增材制造技術用于生產部件和模具，以及新部件的原型設計。這種方法可以快速創建原型，以便在批量生產之前進行測試和改進。例如，美國通用電氣 (GE) 集團于 2019 年開始 3D 打印大型風力渦輪機部件，并于 2021 年在美國開設了一家專門用于研究的 3D 打印工廠。GE 還利用 3D 打印技術為其 GE9X 發動機制造更輕的渦輪葉片。
另一家在該領域利用3D打印技術的公司是初創公司Orbital Composites，該公司專注于利用現場高通量大規模增材制造技術生產渦輪機、風力渦輪機葉片、基座和塔架。通過該項目，Orbital Composites旨在展示和驗證其3D打印機器人在風力渦輪機葉片制造中的應用。該公司還計劃開發能夠3D打印長度超過100米的風力渦輪機葉片的系統，以及直接在海上船舶上安裝海上風力渦輪機的系統。為了實現這些目標，這家初創公司正在與橡樹嶺國家實驗室（ORNL）和緬因大學合作，他們的研究成果將在后面的部分討論。Orbital Composites已從美國能源部（DOE）和能源效率與可再生能源辦公室（EERE）獲得400萬美元的資助。
照片來源：Soleolico
西班牙公司Soleolico曾利用3D打印技術設計了世界上第一臺配備光伏板的風力渦輪機。該裝置以其能夠同時產生風能和太陽能并吸收二氧化碳的能力而聞名。為了實現這一創新項目，Soleolico采用了Pure Tech的3D打印工藝，歷時10年研發，預計于2023年10月完成。
風能3D打印研究
全球多所大學的研究人員正在探索3D打印在風能領域的應用，例如柏林工業大學開展的“3D打印助力風力渦輪機研究”項目。該團隊由技術工程師Immanuel Dorn和工程學碩士生兼項目指導老師Sascha Krumbein領導，致力于研究如何利用3D打印技術優化轉子葉片。他們的工作包括在大型風洞中測試不同的葉片配置，并評估使用各種3D打印材料進行多次生產迭代的轉子的性能。研究人員從氣動設計入手，然后進行結構設計，涉及填充和材料選擇，因此需要經過多個迭代周期來調整和調整所用材料。最后，該團隊在風洞中進行了“真實”氣動測試，包括碰撞測試，以評估葉片的性能。
此外，許多美國大學正在探索該領域的研究。例如，印第安納州的普渡大學與RCAM Technologies公司和Floating Wind Technology公司合作，致力于開發更具成本效益的混凝土渦輪機錨和結構，同時探索風力渦輪機轉子葉片工具的增材制造技術。該項目由多家公司合作開展，并獲得了美國能源部（DOE）280萬美元的資助，旨在通過3D打印技術加快工具制造速度并降低成品成本。
作為“3D打印助力風力渦輪機研究”項目的一部分，柏林工業大學的團隊正在研究如何利用3D打印技術優化轉子葉片。（圖片來源：BigRep）
風能行業3D打印補貼
多個項目已經獲得資助，其中包括聯邦經濟和能源部 (BMWi) 的資助，例如“先進鑄造單元”(ACC) 項目。該項目以用于制作砂型的大幅面 3D 打印機命名，弗勞恩霍夫工程、復合材料和加工研究所(IGCV) 也參與其中，作為合作伙伴，負責材料技術方面和數字過程監控。巴伐利亞 3D 打印公司 Voxeljet 也參與了該項目。2022 年，陸上風力渦輪機制造商 GE 可再生能源宣布計劃測試 3D 打印模具，用于金屬鑄造 GE Haliade-X 風力渦輪機機艙的各種關鍵部件。所使用的 3D 打印機用于生產重達 60 噸、直徑達 9.5 米的金屬渦輪機零件模具。該項目的目標是將海上風力渦輪機模具的生產時間從至少十周縮短至兩周，同時通過現場制造模具來降低運輸成本。這種方法還能減少風力渦輪機生產的碳足跡。
IFAF 為 3D 打印在風能領域的應用提供了進一步的支持，目前它正在支持 Winddruck 項目，該項目計劃于 2024 年 9 月完成。該項目旨在利用 3D 打印技術經濟且可持續地大規模生產風力渦輪機葉片。此外，該項目還在探索未來利用可再生和可回收材料 3D 打印制造風力渦輪機葉片的可能性。
圖片來源：Shutterstock
3D打印在風能領域的應用發展勢頭強勁，展現出巨大的創新和效率提升潛力。世界各地的企業和研究機構都認識到這項技術的優勢，并正在投資增材制造方法的開發和應用。3D打印的應用范圍廣泛，從原型和組件的生產到整臺風力渦輪機的制造，應有盡有。它們具備傳統制造方法無法比擬的靈活性和適應性。盡管挑戰依然存在，但3D打印在風能領域的應用前景廣闊，有望推動該行業的可持續轉型，并進一步改善清潔能源的獲取。
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