GE可再生能源公司：3D打印助力风能领域

2022年3月，南极熊获悉，率先在风能领域采用3D打印技术的GE可再生能源公司已在推动能源技术创新方面取得了初步进展。GE可再生能源先进制造技术负责人Matteo Bellucci说："增材制造技术可能降低风能行业的成本并提高风能行业的竞争力。”

美国的风能利用率在2020年高速增长，陆地风能发电装置的安装量首次超过了太阳能发电的安装量。2020年海上风电管道的安装量比前一年增长了24%。欧盟（EU）要想在2026年实现使用40%的可再生能源的目标，需要每年需要安装32GW的新风场。由于全球供应链问题和瓶颈，2021年欧洲的风力安装量仅为17.4GW。所以，人们思考了这样一个问题：3D打印是否能帮助增加风力安装量？

△GE的Haliade-X海上风力涡轮机，图片照片来自GE。

3D打印提高风能的竞争力

南极熊获悉，2021年2月，GE获得了美国能源部（DoE）670万美元的项目，研究3D打印风力涡轮机叶片的设计和制造。GE与橡树岭国家实验室（ORNL）和国家可再生能源实验室（NREL）合作，试图通过利用3D打印来降低制造成本和提高供应链的灵活性从而提高陆上和海上风能的竞争力。

Bellucci说："GE已经确定了一些涡轮机的设计和制造工艺，以及新的热塑性材料，从而更清楚地说明了我们将如何实现在刀叶片制造中使用 3D 打印以及其他先进工艺和高度自动化工艺的目标。”

他解释说，使用3D打印和热塑性复合材料制造的涡轮机叶片尖端有几个优势。首先，与传统制造的同类产品相比，用3D打印制造的叶片尖端更轻。轻量化可以使涡轮机上的大转子产生更多的能量，同时也可以减轻整个涡轮机的压力，减少齿轮箱、传动系统、轴承和基础的磨损，并降低涡轮机运营商的成本。其次，3D打印的热塑性叶片尖端也可以在其达到寿命时被熔化和回收，这是GE可再生能源项目中重点关注的一个方面。GE研究团队还在研究如何用3D打印技术和热塑性材料制造涡轮机叶片的其他部分，以提高叶片各个组件的上市时间、质量和可持续性。

Bellucci说：“3D打印不仅会给风能领域带来成本和性能上的竞争优势，而且该技术还将帮助助我们的客户更远且更快地推动能源转型。"Fraunhofer IGCV 和粘结剂喷射系统制造商voxeljet宣布将在2022年9月建造迄今为止 "世界上最大的 "风力涡轮3D打印机“。该系统被称为 "高级铸造单元"（ACC），专门用于打印GE的Haliade-X海上涡轮机铸造零件所需的模具，每个零件的重量可高达60吨。这个项目在几个月前才开始，现在仍然处于发展的早期阶段，该项目是为了加速和优化GE Haliade-X海上涡轮机的关键铸造部件的生产。可以说，3D打印为生产大型涡轮机部件提供了灵活性，降低了运输成本并带来了环境效益"。GE项目团队目前正在商榷打印机的各个规格细节，然后voxeljet将开始项目的设计阶段，包括新打印机的机械装置等。

△3D打印的混凝土风力涡轮机，图片来自GE。

增材制造（AM）在风能领域的优势

为了实现减少温室气体排放的目标，人们已将风能视为解决全球气候危机关键，正在投入大量研究以使风力涡轮机本身更加环保。例如，NREL开发了一种通过3D打印制造风力涡轮机叶片的方法，该方法提高了叶片的使用性能和可回收性能；缅因大学正在研究一种环保型涡轮叶片模具的3D打印工艺；麦吉尔大学和瑞尔森大学的工程师正致力于将风力涡轮机叶片废料转化为用于纤维增强部件的新型3D打印PLA材料。Bellucci 说：“3D打印技术已经较为成熟，可以帮助我们制作小型和大型部件，以及对我们工厂运营效率产生直接影响的快速原型，但要将3D打印直接应用到我们的产品中，还需要一些时间我们正在积极探索不同的方案。”

他还说，GE认为3D打印的优势取决于具体的应用场景。这些优势包括制造时间、铸件模具的3D打印、更具弹性、本地化和敏捷的供应链，以及主要由该技术的自动化和数字化特性产生的质量一致性。 此外，3D 打印为更高效的设计打开了大门，这些设计可以针对特定位置和应用进行定制，例如，虽然之前在给定地点的风力涡轮机的标准设计要求塔90米，但经现场实地考察后，发现高120米的塔更合适时，我们可以在现场3D打印30米高的塔组件，以添加到现有的标准90米塔底上，从而获得最佳性能。

根据Bellucci的说法，这种制造过程不仅可以最大限度地利用清洁且可再生的能源而且还可以通过减少需要制造和远距离运输的零件数量来降低碳排放。

△NREL研究人员利用3D打印制作的13米热塑性刀片原型的一部分。照片来自 NREL 的 Ryan Beach。

3D打印助力可再生能源的转型

Bellucci认为3D打印有助于GE可再生能源等部门在许多方面加速向清洁能源发电的过渡。他说：“3D打印通常是一种能源密集度较低的制造过程，产生的废物也更少。例如，3D 打印能够探索新的设计实践，使用拓扑优化等工具，使我们的工程师能够对多种设计进行试验，以找到最有效和最具经济的解决方案。因此，我们的团队可以生产使用消耗能源较少的零件并减少浪费。”

Bellucci还指出了该技术在简化制造组装流程和物流方面的能力，有助于减少公司的碳排放。他说：“3D 打印可以让我们探索通过将几个不同的组件合并为一个部件来改进给定组件设计的方法。传统制造中，人们通常将一个机械件的各个组件单独制造，然后将这些组件进行组装。而增材制造可以将组合单元进行整体制造，减少了组装环节。增材制造使GE能够减少需要设计和制造的零件数量，从而简化装配过程并提高产品的耐用性和可靠性。组合制造有助于更有效的减少拆卸过程，从而提高公司的材料可回收性和循环性。3D打印还可以更便捷地将回收材料和二次材料应用于我们的设计中，例如，当我们为新涡轮机制造3D打印塔时，使用从报废的风力涡轮机上回收的叶片材料。在美国国防部的支持下，我们正在探索将3D打印与热塑性材料结合用于新型先进风力涡轮机叶片的制造方法。”

3D打印可以显着减少生产新风力涡轮机所需的材料数量。根据Bellucci的说法，生命周期评估 (LCA) 分析表明，在塔顶制造大型铸件时，3D制造工艺会减少高达15%的温室气体排放。LCA 还表明，先进的制造技术可以在叶尖制造过程中减少高达10%的温室气体排放，在高涡轮塔制造过程中减少25%的的温室气体排放。

Bellucci 总结道：“展望未来，我们将继续与客户和其他行业合作伙伴展开合作，开发有助于加速能源转型的创新技术，这与我们专注于使用可持续循环设计实现环境效益最大化的目标相一致。”

△运往布洛克岛海上风电场的涡轮叶片，图片来自 LM Wind Power。

编译来源：https://3dprintingindustry.com/n ... inting-wind-205254/