中国3D打印网11月5日讯，美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的研究人员开发了一种制造风力涡轮机叶片的新方法，可提高其性能和报废回收率。该团队不是用普通的热固性树脂制造刀片，而是设计了一种独特的设置，使用热塑性塑料进行 3D 打印，随后可以加热以恢复其原始聚合物以供重复使用。将他们的方法付诸实践，工程师们已经设法制造了一个 13 米长的原型，并且在未来，他们相信这个过程可以为制造商带来成本和速度的收益。
NREL 研究人员的 13 米热塑性叶片原型的一部分。照片来自 NREL 瑞安海滩。
“革命性”叶片设计
目前，许多公用事业规模的风力涡轮机叶片具有类似的翻盖式设计，其中两个玻璃纤维“表皮”用粘合剂粘合在一起，并使用抗剪腹板加固。然而，这些大型部件往往是用环氧树脂、聚酯和乙烯基酯等热固性树脂生产的，一旦固化，就会以一种使其塑料无法重复使用的方式不可逆地交联。
NREL 项目负责人德里克·贝里 (Derek Berry) 解释说：“一旦您生产出带有热固性树脂系统的叶片，就无法逆转该过程。” “这使得刀片难以回收。”更重要的是，根据 NREL 本身的说法，在过去的 25 年中，该过程可能已经为提高效率而进行了调整，但实际上变化很小，因此涡轮机的建造方式不符合其可持续发展的形象。鉴于今年早些时候，拜登总统设定了到 2030 年将美国温室气体排放量减少一半的雄心勃勃的目标，并强调“绿色能源技术”对于实现这一目标至关重要，NREL 研究人员现在已经确定需要进行“彻底改变”风力涡轮机叶片是如何制造的。”
NREL 的 CoMET 产生了影响
为了使叶片生产更加循环，Berry 和他的团队与 NREL 复合材料制造教育和技术或“CoMET”设施的同事开始了一个项目。该综合体于 2017 年开业，专门推进风能、水力和复合技术的研发，为用户提供 3D 打印工具、复合混合设备和原型工具。
就 Berry 的项目而言，该项目得到了美国能源部先进制造办公室的支持，他和他的团队已成功开发出一种能够加工可回收热塑性塑料的系统。然后，这些可用于打印更多圆形刀片，这些刀片可通过热焊接连接到其他部件，在此过程中无需使用通常有毒且昂贵的粘合剂。通过从传统制造方法转向 3D 打印，多学科团队还能够生产更先进的叶片，其具有高度工程化的网状结构，其“表皮”之间的密度和几何形状各不相同，它们本身可以是使用热塑性树脂系统注入。
“通过两个热塑性叶片组件，您可以将它们组合在一起，并通过施加热量和压力将它们连接起来。你不能用热固性材料做到这一点。”利用他们新颖的设置，Berry 和他的团队已经能够在 NREL 的 CoMET 设施中构建一个 13 米长的热塑性塑料原型，它充分利用了这些 3D 打印相关的优势。与合作伙伴 TPI Composites、Additive Engineering Solutions、Ingersoll Machine Tools、范德比尔特大学和先进复合材料制造创新研究所合作，研究人员认为，未来有可能将涡轮叶片的重量和成本降低 10%，并且他们的交货时间缩短了 15%，同时开发了长达 100 米的轻量化部件。
此外，当 NREL 的研究在今年早些时候获得资助时，它得到了两个子资助项目的支持，这些项目也在调查 3D 打印的涡轮叶片潜力。虽然科罗拉多州立大学目前正在研究用于创建新型内部叶片结构的纤维增强复合材料，但 GE Research 正在开发一种用于结构测试的全尺寸 3D 打印叶片尖端。
GE 的 Haliade-X 海上风力涡轮机的叶片（如图）现在将使用大型 3D 打印模具制造。照片来自 GE。
AM增强型清洁能源
随着世界开始转向海上能源解决方案以应对全球气候危机，现在大量的研究投入到使风力涡轮机本身更加环保方面。麦吉尔大学和瑞尔森大学的工程师开发了一种将风力涡轮机叶片废料转化为新型 3D 可打印 PLA 的方法，能够生产纤维增强部件。
今年早些时候，缅因大学还获得了 280 万美元的联邦资金，以支持其开发环保的涡轮叶片模具 3D 打印工艺。 同样得到 Ingersoll Machine Tools 的支持，就像 NREL 团队的项目一样，UMaine 的研究更多地侧重于使用生物基原料，从而可以将制造大型零件的成本减半。
与此同时，在德国，Fraunhofer IGCV 和 voxeljet 已着手扩大 3D 打印风力涡轮机叶片的规模，而不是专门专注于提高其圆形度。 为实现这一目标，这两个组织正在开发一种“高级铸造单元”，该单元能够生产用于铸造通用电气 Haliade-X 涡轮机部件所需的模具，每个部件的重量可达 60 吨。
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