美國能源部向普渡大學投資285萬美元，用于開發(fā)3D 打印模塊化風力葉片

2023年10月13日，南極熊獲悉，美國能源部 (DOE) 已向普渡大學復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 打印模塊化風力葉片的開發(fā)，項目名稱為——用于大型風力葉片制造的集成加熱的模塊化工具增材制造，該項目由普渡大學復合材料增材制造和仿真 (CAMS) 工業(yè)聯盟主任 Eduardo Barocio 領導。

Barocio 表示：“該項目的主要目標是為大型風力葉片模具制造的自動化奠定基礎，以適應葉片幾何形狀和尺寸的不斷變化。這將通過模塊化結構來實現，模塊將通過擠出沉積增材制造技術和碳纖維/熱塑性復合材料 3D 打印制作完成，該技術首先是在橡樹嶺國家實驗室的美國能源部制造示范設施中開發(fā)的?！?/div>

△Eduardo Barocio.

3D 打印風力葉片項目的具體目標包括：

• 開發(fā)長度等于或大于80米的風力葉片的模塊設計；
• 與傳統(tǒng)工具制造相比，制造和組裝風力葉片工具所需的時間至少減少 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%；
• 使風電葉片工具的制造成本降低至少35%。
  

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

△Thermwood LSAM 增材制造實驗室。

“擬議的計劃為風力葉片模具制造的自動化制造技術奠定了基礎，”Barocio 說。“這些相同的技術可以應用于風能系統(tǒng)所有元件的制造，因此，該計劃提供了一項開創(chuàng)性的發(fā)展，可以利用美國境內的技術來生產清潔能源的主要來源——風能?！?/div>

該計劃將開發(fā)并展示七項具體創(chuàng)新。其中包括：自動化大型模塊的 3D 打印以及開發(fā)強大的連接技術和用于傳導加熱的內聯加熱元件沉積；對流冷卻的 3D 打印冷卻通道；新型復合材料系統(tǒng)的經濟性和性能；支撐架減重；以及工具變形預測和控制，并通過數字孿生進行決策以推進3D 打印設計和制造。

總體而言，美國能源部為 10 個州的13 個項目撥款 3000 萬美元，這些項目將重塑海上和陸地應用大型風力葉片的設計、材料和可持續(xù)性。大型風力葉片在設計和材料方面面臨著重大挑戰(zhàn)，特別是對于海上應用。選定的項目將應對這些挑戰(zhàn)，重點關注可持續(xù)性、效率和技術進步，使風能應用更加可行和有效。

目前，先進的輕質復合材料已成為增強風力發(fā)電和車輛應用的關鍵所在。美國能源部之所以選擇對3D打印風力葉片項目進行資助，是因為該技術具有增強復合材料的可制造性和堅固性的潛力，這對于風能技術未來的成功至關重要。這些被資助的項目集中于解決三個主要挑戰(zhàn)：大型風力葉片增材制造；風力渦輪機部件的增材制造；大型風力葉片的先進制造、材料和可持續(xù)性。

普渡大學復合材料制造模擬中心執(zhí)行主任 R. Byron Pipes說：“這些項目將與普渡大學項目協(xié)同發(fā)力，共同解決風力渦輪機制造中面臨的挑戰(zhàn)，并基于先前的工作在自動化、數字化、風力葉片可持續(xù)性以及模塊化葉片建造和連接方面開發(fā)新的成果。替代能源系統(tǒng)制造中自動化的成功示范可以增強其更廣泛的使用，同時維持美國的產業(yè)發(fā)展?！?/div>

在美國能源部資助的其他項目中，GE Research選擇 voxeljet作為其合作伙伴，獲得 1,490 萬美元的聯邦資助，用于大型砂粘合劑噴射 3D 打印機（也稱為高級鑄造單元 (ACC)）的開發(fā)和商業(yè)化，以加速美國向清潔能源型社會轉型。

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