歐洲ORGANIC項目采用AI與大幅面3D打印增強渦輪葉片制造工藝

2025年9月16日，南極熊獲悉，由西班牙AIMEN技術中心牽頭協(xié)調(diào)的歐盟“ORGANIC”項目取得重要進展。隨著歐洲對更可持續(xù)、更高效的能源解決方案的需求日益增長，該項目正致力于突破風電制造產(chǎn)業(yè)關鍵技術瓶頸，旨在開發(fā)出更大規(guī)模、更高性能、可回收利用且具備工業(yè)級可靠性的新一代風力渦輪機葉片。

△ORGANIC項目，共有來自八個歐洲國家的13個合作伙伴

這個項目已獲得歐盟“地平線歐洲”（Horizon Europe）計劃資金支持，匯聚來自八個歐洲國家的13家頂尖科研與工業(yè)機構(gòu)，共同構(gòu)建跨學科研發(fā)團隊。項目核心創(chuàng)新點包括將生物基環(huán)保材料、生成式設計技術、人工智能方法與大幅面增材制造工藝進行深度融合，以期實現(xiàn)風電葉片制造的全流程技術革新，助推歐洲風電高端制造業(yè)向綠色、智能與可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型升級。

項目由Horizon Europe框架資助，匯集了多元化的財團，包括Asociación de Investigación Metalúrgica del Noroeste（西班牙）、Aeroblade（西班牙）、Instituto Tecnológico del Embalaje、Transporte y Logística（西班牙）、Fundación Cartif（西班牙）、EIT Manufacturing Central GGMBH（德國）、ICONIQ Innovation（英國）、10XL BV（荷蘭）、Addcomposites Oy（芬蘭）、Tampereen Korkeakoulusatio SR（芬蘭）、Ethnicon Metsovion Polytechnion（希臘）、Core Innovation and Technology OE（希臘）、Netcompany（盧森堡）和Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana（瑞士）。

△ORGANIC項目融合了生物基材料、生成式設計和人工智能技術

重新思考風能增材制造

傳統(tǒng)的增材制造通常能耗高，難以規(guī)?；a(chǎn)風力渦輪機葉片等大型部件，而且可回收性有限。盡管仿生3D打印技術已在研究中得到廣泛探索，但大多數(shù)應用仍處于小規(guī)模階段。ORGANIC旨在解決這些挑戰(zhàn)。

在材料方面，該項目驗證了生物基、完全可回收復合材料作為傳統(tǒng)聚合物凈零排放替代品的可行性。人工智能驅(qū)動的生成方法創(chuàng)造出超越傳統(tǒng)晶格設計的仿生結(jié)構(gòu)，而配備原位智能控制的大型增材制造平臺則可實時優(yōu)化制造過程。Gentelligence框架能夠捕捉并利用工藝-結(jié)構(gòu)-屬性-性能方面的知識，從而實現(xiàn)整個生產(chǎn)周期的持續(xù)學習和改進。

這些方法旨在制造具有高結(jié)構(gòu)效率、抗疲勞性和尺寸精度的渦輪葉片。預期效益包括：提高一次性打印成功率、減少材料浪費、在工業(yè)相關環(huán)境（TRL6）演示中提升機械可靠性，以及采用可回收利用和降低二氧化碳排放的循環(huán)材料策略。

ORGANIC項目協(xié)調(diào)員、人工智能和數(shù)據(jù)分析研究員Andrea Fernández Martínez解釋道：“通過將設計、材料和過程智能相結(jié)合，ORGANIC超越了仿生學，成為真正的生物智能系統(tǒng)——具有適應性、不斷發(fā)展，并能夠為可持續(xù)能源應用提供高質(zhì)量的組件。”

△ORGANIC項目團隊

生物基材料和生成設計

ORGANIC的核心創(chuàng)新在于，用通過大幅面增材制造技術成型為晶格結(jié)構(gòu)的生物基熱塑性復合材料取代傳統(tǒng)的芯材（例如 PET、PVC 和輕木）。Fernández 解釋說，之前的研究表明，纖維增強熱塑性晶格的剪切強度可以達到甚至超過輕木，同時提供更好的剛度重量比和更高的損傷容限。

雖然具體的數(shù)值閾值仍在確定中，但材料的選擇需要在機械性能、熱性能、環(huán)境性能以及可回收性和生命周期影響之間取得平衡。然而，工業(yè)化應用仍是一個挑戰(zhàn)，因為許多生物基復合材料在機械性能、熱穩(wěn)定性和纖維相容性方面仍處于早期階段。

ORGANIC通過將詳細的材料表征與生成式仿生設計工作流程和AI 持的流程監(jiān)控（包括基于 LSTM的控制系統(tǒng)）相結(jié)合來解決這一問題，從而確保可靠、高性能的材料-設計-制造鏈。標準化機械測試、與傳統(tǒng)材料的基準測試以及在AIMEN的開放試驗線和10XL設施演示器上的驗證，將確保在工業(yè)條件下的性能。

△AIMEN技術中心推動歐洲3D打印相關發(fā)展

硬件創(chuàng)新：ORGANIC FGF打印頭

復合材料增材制造研究員Ander Reizábal López-Para博士強調(diào)，采用高性能或生物基復合材料以每小時數(shù)公斤的速度生產(chǎn)大型部件，會顯著改變材料特性，并對工藝可靠性造成壓力。對于ORGANIC而言，實現(xiàn)“一次成功”的生產(chǎn)不僅令人向往，更是至關重要：每個大型部件都必須在第一次嘗試時就正確打印，以避免時間、能源和材料的浪費。

ORGANIC FGF打印頭正是為了解決這一問題。它基于顆粒擠出系統(tǒng)，融合了先進的硬件、傳感和控制技術，能夠針對薄弱區(qū)域進行可變長度的纖維增強，并采用自適應溫度控制，實現(xiàn)快速、節(jié)能的層間粘合。嵌入式壓力和溫度傳感器、用于熱監(jiān)控的紅外攝像頭以及用于檢測層間質(zhì)量的輪廓儀可提供連續(xù)的實時數(shù)據(jù)。Self-X控制框架使系統(tǒng)能夠始終在人工監(jiān)督下進行自我監(jiān)控、優(yōu)化和自動糾正問題。

在項目第一階段，團隊通過部署多種傳感技術，全面收集制造過程數(shù)據(jù)。項目負責人Reizábal表示：“可靠性是ORGANIC的核心目標。由于以往在大規(guī)模傳感與自動控制領域的數(shù)據(jù)積累不足，我們采取了分階段實施的策略。” AIMEN激光應用中心在試點階段取得的成果，將為第二代打印頭的設計提供關鍵依據(jù)，以確保具備更高的穩(wěn)健性、可靠性，并滿足工業(yè)化大規(guī)模部署的要求。

△風機葉片幾何尺寸縮放圖

人工智能、數(shù)字孿生和持續(xù)優(yōu)化

ORGANIC采用分層人工智能系統(tǒng)，結(jié)合強化學習(RL)和認知預測控制，持續(xù)優(yōu)化增材制造 流程。打印前的強化學習(RL)代理會根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和可持續(xù)性KPI（例如能耗和構(gòu)建時間）選擇配置。打印過程中，校準強化學習(RL)代理會分析傳感器數(shù)據(jù)，對模擬進行微調(diào)，從而提高預測準確性。打印后，長期強化學習(RL)循環(huán)會評估零件質(zhì)量（孔隙率、尺寸精度和機械性能），并提出優(yōu)化設置，供工程師驗證并重新集成到系統(tǒng)中。同時，專門的人工智能驅(qū)動認知控制器將跟蹤實時傳感器數(shù)據(jù)，實時預測流程偏差，從而采取糾正措施。

研究人員表示：“在連續(xù)的周期中，這種多源集成將實現(xiàn)更準確的預測、更好的過程控制和更智能的設計選擇，不斷提高制造過程的可靠性和各代風力渦輪機葉片部件的結(jié)構(gòu)性能?！?br />
主要挑戰(zhàn)包括有限的實際過程數(shù)據(jù)、與各種仿真工具的互操作性以及實時部署的復雜性。ORGANIC通過在AIMEN的開放試驗線上收集多源數(shù)據(jù)、在Gentelligence數(shù)字框架內(nèi)采用模塊化方法（由資產(chǎn)管理外殼(AAS)和基于本體的流程知識支持）、以及在擴展到10XL大型演示器之前使用安全措施進行離線測試來解決這些問題。

從風力渦輪機到跨行業(yè)潛力

Fernández解釋說，盡管不同行業(yè)對機械、熱和耐久性的要求各不相同，但ORGANIC的生物智能增材制造方法具有跨行業(yè)應用的潛力。ORGANIC通過在CAx設計工具中集成標準化材料表征協(xié)議和結(jié)構(gòu)化屬性數(shù)據(jù)集來解決這一問題。生成式仿生晶格策略具有可擴展性，但必須滿足特定行業(yè)的負載、幾何形狀和性能目標，而CAx工具的工藝-結(jié)構(gòu)-屬性-性能關系則確保了可追溯性。

大幅面增材制造技術（包括混合擠壓、多材料沉積和原位監(jiān)測）采用模塊化設計，并在AIMEN的開放式試驗線上進行分步驗證，支持3D打印在新工業(yè)環(huán)境中的可擴展部署。

項目第一年側(cè)重于基礎成果而非全尺寸原型。項目里程碑包括一份關于生物智能增材制造的白皮書，預計將于2025年11月發(fā)布，其中將整合材料、設計、制造和人工智能控制等領域的方法。到年底，制造要求和數(shù)字架構(gòu)將最終確定。Fernández說：“從那時起，ORGANIC系統(tǒng)將逐步推進alpha、beta和最終版本，直至項目結(jié)束時在完整的演示器中完成?！?br />
總的來說，ORGANIC項目充分展示了生物基智能增材制造技術在大型高性能渦輪葉片制造中的應用潛力。該項目深度融合人工智能、生成式設計與可回收材料，為推動風電產(chǎn)業(yè)綠色升級提供了切實路徑。