美國國家可再生能源實驗室用可回收樹脂3D打印13米渦輪葉片
時間：2021-11-05 08:49 來源：中國3D打印網 作者：admin 閱讀：次
中國3D打印網11月5日訊，美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 的研究人員開發了一種制造風力渦輪機葉片的新方法，可提高其性能和報廢回收率。該團隊不是用普通的熱固性樹脂制造刀片，而是設計了一種獨特的設置，使用熱塑性塑料進行 3D 打印，隨后可以加熱以恢復其原始聚合物以供重復使用。將他們的方法付諸實踐，工程師們已經設法制造了一個 13 米長的原型，并且在未來，他們相信這個過程可以為制造商帶來成本和速度的收益。
NREL 研究人員的 13 米熱塑性葉片原型的一部分。照片來自 NREL 瑞安海灘。
“革命性”葉片設計
目前，許多公用事業規模的風力渦輪機葉片具有類似的翻蓋式設計，其中兩個玻璃纖維“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氧樹脂、聚酯和乙烯基酯等熱固性樹脂生產的，一旦固化，就會以一種使其塑料無法重復使用的方式不可逆地交聯。
NREL 項目負責人德里克·貝里 (Derek Berry) 解釋說：“一旦您生產出帶有熱固性樹脂系統的葉片，就無法逆轉該過程。” “這使得刀片難以回收。”更重要的是，根據 NREL 本身的說法，在過去的 25 年中，該過程可能已經為提高效率而進行了調整，但實際上變化很小，因此渦輪機的建造方式不符合其可持續發展的形象。鑒于今年早些時候，拜登總統設定了到 2030 年將美國溫室氣體排放量減少一半的雄心勃勃的目標，并強調“綠色能源技術”對于實現這一目標至關重要，NREL 研究人員現在已經確定需要進行“徹底改變”風力渦輪機葉片是如何制造的。”
NREL 的 CoMET 產生了影響
為了使葉片生產更加循環，Berry 和他的團隊與 NREL 復合材料制造教育和技術或“CoMET”設施的同事開始了一個項目。該綜合體于 2017 年開業，專門推進風能、水力和復合技術的研發，為用戶提供 3D 打印工具、復合混合設備和原型工具。
就 Berry 的項目而言，該項目得到了美國能源部先進制造辦公室的支持，他和他的團隊已成功開發出一種能夠加工可回收熱塑性塑料的系統。然后，這些可用于打印更多圓形刀片，這些刀片可通過熱焊接連接到其他部件，在此過程中無需使用通常有毒且昂貴的粘合劑。通過從傳統制造方法轉向 3D 打印，多學科團隊還能夠生產更先進的葉片，其具有高度工程化的網狀結構，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脂系統注入。
“通過兩個熱塑性葉片組件，您可以將它們組合在一起，并通過施加熱量和壓力將它們連接起來。你不能用熱固性材料做到這一點。”利用他們新穎的設置，Berry 和他的團隊已經能夠在 NREL 的 CoMET 設施中構建一個 13 米長的熱塑性塑料原型，它充分利用了這些 3D 打印相關的優勢。與合作伙伴 TPI Composites、Additive Engineering Solutions、Ingersoll Machine Tools、范德比爾特大學和先進復合材料制造創新研究所合作，研究人員認為，未來有可能將渦輪葉片的重量和成本降低 10%，并且他們的交貨時間縮短了 15%，同時開發了長達 100 米的輕量化部件。
此外，當 NREL 的研究在今年早些時候獲得資助時，它得到了兩個子資助項目的支持，這些項目也在調查 3D 打印的渦輪葉片潛力。雖然科羅拉多州立大學目前正在研究用于創建新型內部葉片結構的纖維增強復合材料，但 GE Research 正在開發一種用于結構測試的全尺寸 3D 打印葉片尖端。
GE 的 Haliade-X 海上風力渦輪機的葉片（如圖）現在將使用大型 3D 打印模具制造。照片來自 GE。
NREL 研究人員的 13 米熱塑性葉片原型的一部分。照片來自 NREL 瑞安海灘。
“革命性”葉片設計
目前，許多公用事業規模的風力渦輪機葉片具有類似的翻蓋式設計，其中兩個玻璃纖維“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氧樹脂、聚酯和乙烯基酯等熱固性樹脂生產的，一旦固化，就會以一種使其塑料無法重復使用的方式不可逆地交聯。
NREL 項目負責人德里克·貝里 (Derek Berry) 解釋說：“一旦您生產出帶有熱固性樹脂系統的葉片，就無法逆轉該過程。” “這使得刀片難以回收。”更重要的是，根據 NREL 本身的說法，在過去的 25 年中，該過程可能已經為提高效率而進行了調整，但實際上變化很小，因此渦輪機的建造方式不符合其可持續發展的形象。鑒于今年早些時候，拜登總統設定了到 2030 年將美國溫室氣體排放量減少一半的雄心勃勃的目標，并強調“綠色能源技術”對于實現這一目標至關重要，NREL 研究人員現在已經確定需要進行“徹底改變”風力渦輪機葉片是如何制造的。”
NREL 的 CoMET 產生了影響
為了使葉片生產更加循環，Berry 和他的團隊與 NREL 復合材料制造教育和技術或“CoMET”設施的同事開始了一個項目。該綜合體于 2017 年開業，專門推進風能、水力和復合技術的研發，為用戶提供 3D 打印工具、復合混合設備和原型工具。
就 Berry 的項目而言，該項目得到了美國能源部先進制造辦公室的支持，他和他的團隊已成功開發出一種能夠加工可回收熱塑性塑料的系統。然后，這些可用于打印更多圓形刀片，這些刀片可通過熱焊接連接到其他部件，在此過程中無需使用通常有毒且昂貴的粘合劑。通過從傳統制造方法轉向 3D 打印，多學科團隊還能夠生產更先進的葉片，其具有高度工程化的網狀結構，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脂系統注入。
“通過兩個熱塑性葉片組件，您可以將它們組合在一起，并通過施加熱量和壓力將它們連接起來。你不能用熱固性材料做到這一點。”利用他們新穎的設置，Berry 和他的團隊已經能夠在 NREL 的 CoMET 設施中構建一個 13 米長的熱塑性塑料原型，它充分利用了這些 3D 打印相關的優勢。與合作伙伴 TPI Composites、Additive Engineering Solutions、Ingersoll Machine Tools、范德比爾特大學和先進復合材料制造創新研究所合作，研究人員認為，未來有可能將渦輪葉片的重量和成本降低 10%，并且他們的交貨時間縮短了 15%，同時開發了長達 100 米的輕量化部件。
此外，當 NREL 的研究在今年早些時候獲得資助時，它得到了兩個子資助項目的支持，這些項目也在調查 3D 打印的渦輪葉片潛力。雖然科羅拉多州立大學目前正在研究用于創建新型內部葉片結構的纖維增強復合材料，但 GE Research 正在開發一種用于結構測試的全尺寸 3D 打印葉片尖端。
GE 的 Haliade-X 海上風力渦輪機的葉片（如圖）現在將使用大型 3D 打印模具制造。照片來自 GE。
AM增強型清潔能源
隨著世界開始轉向海上能源解決方案以應對全球氣候危機，現在大量的研究投入到使風力渦輪機本身更加環保方面。麥吉爾大學和瑞爾森大學的工程師開發了一種將風力渦輪機葉片廢料轉化為新型 3D 可打印 PLA 的方法，能夠生產纖維增強部件。
今年早些時候，緬因大學還獲得了 280 萬美元的聯邦資金，以支持其開發環保的渦輪葉片模具 3D 打印工藝。 同樣得到 Ingersoll Machine Tools 的支持，就像 NREL 團隊的項目一樣，UMaine 的研究更多地側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，在德國，Fraunhofer IGCV 和 voxeljet 已著手擴大 3D 打印風力渦輪機葉片的規模，而不是專門專注于提高其圓形度。 為實現這一目標，這兩個組織正在開發一種“高級鑄造單元”，該單元能夠生產用于鑄造通用電氣 Haliade-X 渦輪機部件所需的模具，每個部件的重量可達 60 噸。
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