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美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室用可回收樹(shù)脂3D打印13米渦輪葉片

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美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 (NREL) 的研究人員開(kāi)發(fā)了一種制造風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的新方法，可提高其性能和報(bào)廢回收率。該團(tuán)隊(duì)不是用普通的熱固性樹(shù)脂制造刀片，而是設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的設(shè)置，使用熱塑性塑料進(jìn)行 3D 打印，隨后可以加熱以恢復(fù)其原始聚合物以供重復(fù)使用。將他們的方法付諸實(shí)踐，工程師們已經(jīng)設(shè)法制造了一個(gè) 13 米長(zhǎng)的原型，并且在未來(lái)，他們相信這個(gè)過(guò)程可以為制造商帶來(lái)成本和速度的收益。

NREL 研究人員的 13 米熱塑性葉片原型的一部分。照片來(lái)自 NREL 瑞安海灘。

“革命性”葉片設(shè)計(jì)

目前，許多公用事業(yè)規(guī)模的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片具有類(lèi)似的翻蓋式設(shè)計(jì)，其中兩個(gè)玻璃纖維“表皮”用粘合劑粘合在一起，并使用抗剪腹板加固。然而，這些大型部件往往是用環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯和乙烯基酯等熱固性樹(shù)脂生產(chǎn)的，一旦固化，就會(huì)以一種使其塑料無(wú)法重復(fù)使用的方式不可逆地交聯(lián)。

NREL 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人德里克·貝里 (Derek Berry) 解釋說(shuō)：“一旦您生產(chǎn)出帶有熱固性樹(shù)脂系統(tǒng)的葉片，就無(wú)法逆轉(zhuǎn)該過(guò)程。” “這使得刀片難以回收。”更重要的是，根據(jù) NREL 本身的說(shuō)法，在過(guò)去的 25 年中，該過(guò)程可能已經(jīng)為提高效率而進(jìn)行了調(diào)整，但實(shí)際上變化很小，因此渦輪機(jī)的建造方式不符合其可持續(xù)發(fā)展的形象。鑒于今年早些時(shí)候，拜登總統(tǒng)設(shè)定了到 2030 年將美國(guó)溫室氣體排放量減少一半的雄心勃勃的目標(biāo)，并強(qiáng)調(diào)“綠色能源技術(shù)”對(duì)于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)至關(guān)重要，NREL 研究人員現(xiàn)在已經(jīng)確定需要進(jìn)行“徹底改變”風(fēng)力渦輪機(jī)葉片是如何制造的。”

NREL 的 CoMET 產(chǎn)生了影響

為了使葉片生產(chǎn)更加循環(huán)，Berry 和他的團(tuán)隊(duì)與 NREL 復(fù)合材料制造教育和技術(shù)或“CoMET”設(shè)施的同事開(kāi)始了一個(gè)項(xiàng)目。該綜合體于 2017 年開(kāi)業(yè)，專(zhuān)門(mén)推進(jìn)風(fēng)能、水力和復(fù)合技術(shù)的研發(fā)，為用戶(hù)提供 3D 打印工具、復(fù)合混合設(shè)備和原型工具。

就 Berry 的項(xiàng)目而言，該項(xiàng)目得到了美國(guó)能源部先進(jìn)制造辦公室的支持，他和他的團(tuán)隊(duì)已成功開(kāi)發(fā)出一種能夠加工可回收熱塑性塑料的系統(tǒng)。然后，這些可用于打印更多圓形刀片，這些刀片可通過(guò)熱焊接連接到其他部件，在此過(guò)程中無(wú)需使用通常有毒且昂貴的粘合劑。通過(guò)從傳統(tǒng)制造方法轉(zhuǎn)向 3D 打印，多學(xué)科團(tuán)隊(duì)還能夠生產(chǎn)更先進(jìn)的葉片，其具有高度工程化的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其“表皮”之間的密度和幾何形狀各不相同，它們本身可以是使用熱塑性樹(shù)脂系統(tǒng)注入。

“通過(guò)兩個(gè)熱塑性葉片組件，您可以將它們組合在一起，并通過(guò)施加熱量和壓力將它們連接起來(lái)。你不能用熱固性材料做到這一點(diǎn)。”利用他們新穎的設(shè)置，Berry 和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠在 NREL 的 CoMET 設(shè)施中構(gòu)建一個(gè) 13 米長(zhǎng)的熱塑性塑料原型，它充分利用了這些 3D 打印相關(guān)的優(yōu)勢(shì)。與合作伙伴 TPI Composites、Additive Engineering Solutions、Ingersoll Machine Tools、范德比爾特大學(xué)和先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所合作，研究人員認(rèn)為，未來(lái)有可能將渦輪葉片的重量和成本降低 10%，并且他們的交貨時(shí)間縮短了 15%，同時(shí)開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)達(dá) 100 米的輕量化部件。

此外，當(dāng) NREL 的研究在今年早些時(shí)候獲得資助時(shí)，它得到了兩個(gè)子資助項(xiàng)目的支持，這些項(xiàng)目也在調(diào)查 3D 打印的渦輪葉片潛力。雖然科羅拉多州立大學(xué)目前正在研究用于創(chuàng)建新型內(nèi)部葉片結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，但 GE Research 正在開(kāi)發(fā)一種用于結(jié)構(gòu)測(cè)試的全尺寸 3D 打印葉片尖端。

GE 的 Haliade-X 海上風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片（如圖）現(xiàn)在將使用大型 3D 打印模具制造。照片來(lái)自 GE。

AM增強(qiáng)型清潔能源

隨著世界開(kāi)始轉(zhuǎn)向海上能源解決方案以應(yīng)對(duì)全球氣候危機(jī)，現(xiàn)在大量的研究投入到使風(fēng)力渦輪機(jī)本身更加環(huán)保方面。麥吉爾大學(xué)和瑞爾森大學(xué)的工程師開(kāi)發(fā)了一種將風(fēng)力渦輪機(jī)葉片廢料轉(zhuǎn)化為新型 3D 可打印 PLA 的方法，能夠生產(chǎn)纖維增強(qiáng)部件。

今年早些時(shí)候，緬因大學(xué)還獲得了 280 萬(wàn)美元的聯(lián)邦資金，以支持其開(kāi)發(fā)環(huán)保的渦輪葉片模具 3D 打印工藝。同樣得到 Ingersoll Machine Tools 的支持，就像 NREL 團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目一樣，UMaine 的研究更多地側(cè)重于使用生物基原料，從而可以將制造大型零件的成本減半。

與此同時(shí)，在德國(guó)，Fraunhofer IGCV 和 voxeljet 已著手?jǐn)U大 3D 打印風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的規(guī)模，而不是專(zhuān)門(mén)專(zhuān)注于提高其圓形度。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這兩個(gè)組織正在開(kāi)發(fā)一種“高級(jí)鑄造單元”，該單元能夠生產(chǎn)用于鑄造通用電氣 Haliade-X 渦輪機(jī)部件所需的模具，每個(gè)部件的重量可達(dá) 60 噸。