风能领域的3D打印 

3D打印  的应用日益广泛，遍及各行各业，越来越多的公司认识到其在制造流程中的优势。能源行业也不例外。根据Additive Manufacturing  Research的报告，预计到2032年，该行业的3D打印市场规模将达到170亿欧元。一项题为“能源领域的增材制造：市场分析与预测”的详细研究探讨了增材制造的机遇和潜力，尤其是在风能等可再生能源领域。研究强调了3D打印在风能关键设备开发和维护中的关键作用，从而强调了充分挖掘其潜力的必要性。

市场参与者越来越认识到3D打印在可再生能源领域，尤其是风力发电领域的优势。这项技术有望降低生产成本，同时能够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众所周知：叶片通常由玻璃纤维增强塑料制成，而这种材料难以回收。

3D打印工艺和所用材料

在风能领域最常用的3D打印技术中，FDM技术占据着突出地位。这种方法通常用于制造原型和零件。另一种广泛使用的方法是SLS（选择性激光烧结）   ，它使用激光熔化尼龙等粉末材料，然后使其固化形成结构。这种方法的优势包括原型和成品的稳定性，以及风能部件的生产，尤其适用于小型零件。此外，粘合剂喷射技术也经常被使用。

DMLS工艺已应用于风能领域，用于 3D  打印高精度复杂金属部件，包括原型、最终组件以及现有风力涡轮机的维修部件。西门子歌美飒可再生能源公司和维斯塔斯等公司已将其用于风力涡轮机的制造和优化。此外，在风力涡轮机原型和外壳的制造中，风能行业经常使用PLA和ABS等材料。尼龙、聚酰胺、金属粉末、玻璃纤维、碳纤维以及树脂也用于  3D 打印，以满足行业的特定需求。

3D打印在风能领域的优势与局限性

如上所述，3D打印在风能领域尤其适用于原型生产。这种效率源于该技术能够经济快速地生产零件，从而促进了该领域的创新。此外，3D打印能够创建比传统方法更复杂的形状，从而提高转子叶片的性能，正如柏林工业大学的一项研究项目所示。在这项研究中，研究人员使用BigRep  3D打印机成功打印了一台完整的风力涡轮机。

我们还可以根据客户需求定制风力涡轮机部件，并根据涡轮机的具体位置进行精确调整。3D打印技术能够直接在现场生产部件，并能够提高灵活性，以便不断调整模具和部件。这种方法降低了成型部件的运输成本，从而有助于快速高效地采购新的打印模具。在美国，由于现有的铁路和公路基础设施，运输限制将转子叶片的长度限制在53至62米之间。因此，3D打印技术（如果与机器人技术相结合）在实现现场制造方面具有巨大潜力，尤其是在生产更大、功率更大的设备方面。

鉴于传统生产方式的交付周期较长，3D打印技术还能更快地按需生产备件。这缩短了订单和制造交付周期，无需持续维持高库存水平。此外，这项技术还能为风力涡轮机打造轻量化、复杂的结构，有助于减轻其整体重量。

3D打印的优势在于能够直接在现场生产风力涡轮机。（图片来源：en-former）

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很高，这会导致使用该技术的成本增加。此外，使用 3D  打印通常难以满足严格的标准和认证要求，这也会导致额外成本。此外，3D 打印的风力涡轮机部件尺寸仍然存在限制，像 ACC  这样的项目仍然是少数允许打印超大型风力涡轮机部件的项目之一。鉴于 3D 打印在风能领域的经验仍然相对有限，3D  打印部件能否长期保持可靠稳定的性能仍有待观察。

3D打印在风力涡轮机制造中的应用

3D打印在风力涡轮机生产的各个环节中发挥着至关重要的作用。具体来说，增材制造技术用于生产部件和模具，以及新部件的原型设计。这种方法可以快速创建原型，以便在批量生产之前进行测试和改进。例如，美国通用电气  (GE) 集团于 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专门用于研究的 3D 打印工厂。GE  还利用 3D 打印技术为其 GE9X 发动机制造更轻的涡轮叶片。

另一家在该领域利用3D打印技术的公司是初创公司Orbital  Composites，该公司专注于利用现场高通量大规模增材制造技术生产涡轮机、风力涡轮机叶片、基座和塔架。通过该项目，Orbital  Composites旨在展示和验证其3D打印机器人在风力涡轮机叶片制造中的应用。该公司还计划开发能够3D打印长度超过100米的风力涡轮机叶片的系统，以及直接在海上船舶上安装海上风力涡轮机的系统。为了实现这些目标，这家初创公司正在与橡树岭国家实验室（ORNL）和缅因大学合作，他们的研究成果将在后面的部分讨论。Orbital  Composites已从美国能源部（DOE）和能源效率与可再生能源办公室（EERE）获得400万美元的资助。

照片来源：Soleolico

西班牙公司Soleolico曾利用3D打印技术设计了世界上第一台配备光伏板的风力涡轮机。该装置以其能够同时产生风能和太阳能并吸收二氧化碳的能力而闻名。为了实现这一创新项目，Soleolico采用了Pure  Tech的3D打印工艺，历时10年研发，预计于2023年10月完成。

风能3D打印研究

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，例如柏林工业大学开展的“3D打印助力风力涡轮机研究”项目。该团队由技术工程师Immanuel  Dorn和工程学硕士生兼项目指导老师Sascha  Krumbein领导，致力于研究如何利用3D打印技术优化转子叶片。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。研究人员从气动设计入手，然后进行结构设计，涉及填充和材料选择，因此需要经过多个迭代周期来调整和调整所用材料。最后，该团队在风洞中进行了“真实”气动测试，包括碰撞测试，以评估叶片的性能。

此外，许多美国大学正在探索该领域的研究。例如，印第安纳州的普渡大学与RCAM  Technologies公司和Floating Wind  Technology公司合作，致力于开发更具成本效益的混凝土涡轮机锚和结构，同时探索风力涡轮机转子叶片工具的增材制造技术。该项目由多家公司合作开展，并获得了美国能源部（DOE）280万美元的资助，旨在通过3D打印技术加快工具制造速度并降低成品成本。

作为“3D打印助力风力涡轮机研究”项目的一部分，柏林工业大学的团队正在研究如何利用3D打印技术优化转子叶片。（图片来源：BigRep）

风能行业3D打印补贴

多个项目已经获得资助，其中包括联邦经济和能源部 (BMWi)  的资助，例如“先进铸造单元”(ACC) 项目。该项目以用于制作砂型的大幅面 3D 打印机命名，弗劳恩霍夫工程、复合材料和加工研究所(IGCV)  也参与其中，作为合作伙伴，负责材料技术方面和数字过程监控。巴伐利亚 3D 打印公司 Voxeljet 也参与了该项目。2022  年，陆上风力涡轮机制造商 GE 可再生能源宣布计划测试 3D 打印模具，用于金属铸造 GE Haliade-X  风力涡轮机机舱的各种关键部件。所使用的 3D 打印机用于生产重达 60 吨、直径达 9.5  米的金属涡轮机零件模具。该项目的目标是将海上风力涡轮机模具的生产时间从至少十周缩短至两周，同时通过现场制造模具来降低运输成本。这种方法还能减少风力涡轮机生产的碳足迹。

IFAF 为 3D  打印在风能领域的应用提供了进一步的支持，目前它正在支持 Winddruck 项目，该项目计划于 2024 年 9 月完成。该项目旨在利用 3D  打印技术经济且可持续地大规模生产风力涡轮机叶片。此外，该项目还在探索未来利用可再生和可回收材料 3D 打印制造风力涡轮机叶片的可能性。

图片来源：Shutterstock

3D打印在风能领域的应用发展势头强劲，展现出巨大的创新和效率提升潜力。世界各地的企业和研究机构都认识到这项技术的优势，并正在投资增材制造方法的开发和应用。3D打印的应用范围广泛，从原型和组件的生产到整台风力涡轮机的制造，应有尽有。它们具备传统制造方法无法比拟的灵活性和适应性。尽管挑战依然存在，但3D打印在风能领域的应用前景广阔，有望推动该行业的可持续转型，并进一步改善清洁能源的获取。