采用3D打印技术和热塑性塑料，NREL生产可回收的风力涡轮机叶片

2025年5月8日，南极熊获悉，在美国能源部先进制造办公室的资助下，美国国家可再生能源实验室(NREL)的一支研究团队正在利用可回收热塑性塑料和 3D 打印技术制造先进的风力涡轮机叶片。NREL的资助旨在促进技术创新，提高美国制造业的能源生产率，并促进尖端产品的美国制造。在 NREL 高级风能技术工程师 Derek Berry 的带领下，创新3D 打印技术有望彻底改变风力涡轮机叶片的制造方式。

如今，大多数公用事业规模的风力涡轮机叶片都采用相同的蛤壳式设计：两层玻璃纤维叶片蒙皮用粘合剂粘合在一起，并使用一个或多个称为抗剪腹板的复合材料加强部件。过去25年来，这种制造工艺已针对效率进行了优化，但实际上几乎没有什么变化。

为了使风力涡轮机叶片更轻、更长、更便宜、更高效地捕获风能（这些改进对于拜美国政府通过增加风能产量来减少温室气体排放的目标至关重要），研究人员必须彻底重新思考传统的蛤壳式结构。首先，美国国家可再生能源实验室 (NREL) 团队专注于树脂基质材料。当前的设计依赖于热固性树脂体系，例如环氧树脂、聚酯和乙烯基酯——这些聚合物一旦固化就会像荆棘一样交联。

贝里说：“一旦用热固性树脂系统生产出叶片，就无法逆转这一过程。这使得叶片难以回收。随着每年安装的风力涡轮机越来越多，新的风力涡轮机叶片应该设计成可重复利用甚至可回收利用，以防止它们损害其原本旨在助力打造的绿色经济。

研究团队与国家可再生能源实验室复合材料制造教育与技术 (CoMET) 设施的先进复合材料制造创新研究所合作，开发了使用热塑性塑料的系统。与热固性材料不同，热塑性塑料可以加热以分离原始聚合物，从而实现报废后的可回收性。

热塑性叶片部件也可以采用热焊接工艺连接，从而无需使用粘合剂（通常是重型且昂贵的材料），从而进一步提高了叶片的可回收性。

△来源：NREL。

贝里说：“有了两个热塑性叶片组件，你就能够将它们粘合在一起，并通过施加热量和压力将它们连接起来。而热固性材料则无法做到这一点。”

展望未来，NREL 将与项目合作伙伴 TPI Composites、Additive EngineeringSolutions、Ingersoll Machine Tools、范德堡大学和先进复合材料制造创新研究所一起开发创新的叶片核心结构，以实现高性能、超长叶片（长度超过 100 米）的经济高效生产，而且重量相对较轻。

利用3D打印技术，研究团队可以生产出各种革命性的设计，以实现涡轮叶片的现代化，在涡轮叶片的结构表层之间嵌入高度工程化的、密度和几何形状各异的网状结构芯。叶片表层将采用热塑性树脂系统进行灌注。

如果成功的话，研究团队将把涡轮叶片的重量和成本降低 10%（或更多），并将生产周期时间缩短至少 15%，这对风能技术来说是一个巨大的飞跃（或旋转）。

除了AMO FOA授予的增材制造热塑性风力涡轮机叶片结构的主要资助外，还有两个子资助项目也将探索先进的风力涡轮机制造技术。科罗拉多州立大学正在牵头一个项目，同样利用3D打印技术为新型内部风力涡轮机叶片结构制造纤维增强复合材料，合作伙伴包括欧文斯科宁公司、美国国家可再生能源实验室 (NREL)、阿科玛公司和维斯塔斯叶片美国公司。第二个项目由通用电气研究院牵头，名为“AMERICA：增材制造和模块化转子叶片及集成复合材料组装”。与通用电气研究院合作的机构包括橡树岭国家实验室、美国国家可再生能源实验室、LM风电公司和通用电气可再生能源公司。