美國(guó)能源部向普渡大學(xué)投資285萬(wàn)美元，用于開(kāi)發(fā)3D 打印模塊化風(fēng)力葉片

2023年10月13日，南極熊獲悉，美國(guó)能源部 (DOE) 已向普渡大學(xué)復(fù)合材料制造模擬中心 (CMSC) 及其行業(yè)合作伙伴（包括Thermwood、TPI Composites Inc.、達(dá)索系統(tǒng)、DimensionalInnovations和Techmer PM）撥款2,849,000 美元。這筆資金將用于資助3D 打印模塊化風(fēng)力葉片的開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目名稱為——用于大型風(fēng)力葉片制造的集成加熱的模塊化工具增材制造，該項(xiàng)目由普渡大學(xué)復(fù)合材料增材制造和仿真 (CAMS) 工業(yè)聯(lián)盟主任 Eduardo Barocio 領(lǐng)導(dǎo)。

Barocio 表示：“該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是為大型風(fēng)力葉片模具制造的自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)，以適應(yīng)葉片幾何形狀和尺寸的不斷變化。這將通過(guò)模塊化結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，模塊將通過(guò)擠出沉積增材制造技術(shù)和碳纖維/熱塑性復(fù)合材料 3D 打印制作完成，該技術(shù)首先是在橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的美國(guó)能源部制造示范設(shè)施中開(kāi)發(fā)的�！�

△Eduardo Barocio.

3D 打印風(fēng)力葉片項(xiàng)目的具體目標(biāo)包括：

• 開(kāi)發(fā)長(zhǎng)度等于或大于80米的風(fēng)力葉片的模塊設(shè)計(jì)；
• 與傳統(tǒng)工具制造相比，制造和組裝風(fēng)力葉片工具所需的時(shí)間至少減少 40%；
• 將工具性能提高至少 15%；
• 與傳統(tǒng)工具相比，重量至少減輕 25%；
• 使風(fēng)電葉片工具的制造成本降低至少35%。
  

Barocio 是位于普渡大學(xué)研究園的印第安納制造研究所 Thermwood LSAM 研究實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人和主任。他還是復(fù)合材料增材制造和仿真工業(yè)聯(lián)盟的創(chuàng)始董事，該聯(lián)盟的使命是通過(guò)提供教育、仿真工具、表征和最佳實(shí)踐來(lái)塑造大規(guī)模增材制造的未來(lái)。

△Thermwood LSAM 增材制造實(shí)驗(yàn)室。

“擬議的計(jì)劃為風(fēng)力葉片模具制造的自動(dòng)化制造技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，”Barocio 說(shuō)�！斑@些相同的技術(shù)可以應(yīng)用于風(fēng)能系統(tǒng)所有元件的制造，因此，該計(jì)劃提供了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的發(fā)展，可以利用美國(guó)境內(nèi)的技術(shù)來(lái)生產(chǎn)清潔能源的主要來(lái)源——風(fēng)能�！�

該計(jì)劃將開(kāi)發(fā)并展示七項(xiàng)具體創(chuàng)新。其中包括：自動(dòng)化大型模塊的 3D 打印以及開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的連接技術(shù)和用于傳導(dǎo)加熱的內(nèi)聯(lián)加熱元件沉積；對(duì)流冷卻的 3D 打印冷卻通道；新型復(fù)合材料系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和性能；支撐架減重；以及工具變形預(yù)測(cè)和控制，并通過(guò)數(shù)字孿生進(jìn)行決策以推進(jìn)3D 打印設(shè)計(jì)和制造。

總體而言，美國(guó)能源部為 10 個(gè)州的13 個(gè)項(xiàng)目撥款 3000 萬(wàn)美元，這些項(xiàng)目將重塑海上和陸地應(yīng)用大型風(fēng)力葉片的設(shè)計(jì)、材料和可持續(xù)性。大型風(fēng)力葉片在設(shè)計(jì)和材料方面面臨著重大挑戰(zhàn)，特別是對(duì)于海上應(yīng)用。選定的項(xiàng)目將應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，重點(diǎn)關(guān)注可持續(xù)性、效率和技術(shù)進(jìn)步，使風(fēng)能應(yīng)用更加可行和有效。

目前，先進(jìn)的輕質(zhì)復(fù)合材料已成為增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電和車輛應(yīng)用的關(guān)鍵所在。美國(guó)能源部之所以選擇對(duì)3D打印風(fēng)力葉片項(xiàng)目進(jìn)行資助，是因?yàn)樵摷夹g(shù)具有增強(qiáng)復(fù)合材料的可制造性和堅(jiān)固性的潛力，這對(duì)于風(fēng)能技術(shù)未來(lái)的成功至關(guān)重要。這些被資助的項(xiàng)目集中于解決三個(gè)主要挑戰(zhàn)：大型風(fēng)力葉片增材制造；風(fēng)力渦輪機(jī)部件的增材制造；大型風(fēng)力葉片的先進(jìn)制造、材料和可持續(xù)性。

普渡大學(xué)復(fù)合材料制造模擬中心執(zhí)行主任 R. Byron Pipes說(shuō)：“這些項(xiàng)目將與普渡大學(xué)項(xiàng)目協(xié)同發(fā)力，共同解決風(fēng)力渦輪機(jī)制造中面臨的挑戰(zhàn)，并基于先前的工作在自動(dòng)化、數(shù)字化、風(fēng)力葉片可持續(xù)性以及模塊化葉片建造和連接方面開(kāi)發(fā)新的成果。替代能源系統(tǒng)制造中自動(dòng)化的成功示范可以增強(qiáng)其更廣泛的使用，同時(shí)維持美國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展�！�

在美國(guó)能源部資助的其他項(xiàng)目中，GE Research選擇 voxeljet作為其合作伙伴，獲得 1,490 萬(wàn)美元的聯(lián)邦資助，用于大型砂粘合劑噴射 3D 打印機(jī)（也稱為高級(jí)鑄造單元 (ACC)）的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化，以加速美國(guó)向清潔能源型社會(huì)轉(zhuǎn)型。

△粘合劑噴射的基本原理是通過(guò)將一層顆粒材料鋪展到建筑平臺(tái)上來(lái)定義的。隨后，打印頭將粘合劑施加到要打印零件的粉末床上。然后，應(yīng)用一層新材料并重復(fù)該過(guò)程，直到打印出最終零件或模具。