美国能源部向普渡大学投资285万美元，用于开发3D 打印模块化风力叶片

2023年10月13日，南极熊获悉，美国能源部 (DOE) 已向普渡大学复合材料制造模拟中心 (CMSC) 及其行业合作伙伴（包括Thermwood、TPI Composites Inc.、达索系统、DimensionalInnovations和Techmer PM）拨款2,849,000 美元。这笔资金将用于资助3D 打印模块化风力叶片的开发，项目名称为——用于大型风力叶片制造的集成加热的模块化工具增材制造，该项目由普渡大学复合材料增材制造和仿真 (CAMS) 工业联盟主任 Eduardo Barocio 领导。

Barocio 表示：“该项目的主要目标是为大型风力叶片模具制造的自动化奠定基础，以适应叶片几何形状和尺寸的不断变化。这将通过模块化结构来实现，模块将通过挤出沉积增材制造技术和碳纤维/热塑性复合材料 3D 打印制作完成，该技术首先是在橡树岭国家实验室的美国能源部制造示范设施中开发的。”

△Eduardo Barocio.

3D 打印风力叶片项目的具体目标包括：

• 开发长度等于或大于80米的风力叶片的模块设计；
• 与传统工具制造相比，制造和组装风力叶片工具所需的时间至少减少 40%；
• 将工具性能提高至少 15%；
• 与传统工具相比，重量至少减轻 25%；
• 使风电叶片工具的制造成本降低至少35%。
  

Barocio 是位于普渡大学研究园的印第安纳制造研究所 Thermwood LSAM 研究实验室的创始人和主任。他还是复合材料增材制造和仿真工业联盟的创始董事，该联盟的使命是通过提供教育、仿真工具、表征和最佳实践来塑造大规模增材制造的未来。

△Thermwood LSAM 增材制造实验室。

“拟议的计划为风力叶片模具制造的自动化制造技术奠定了基础，”Barocio 说。“这些相同的技术可以应用于风能系统所有元件的制造，因此，该计划提供了一项开创性的发展，可以利用美国境内的技术来生产清洁能源的主要来源——风能。”

该计划将开发并展示七项具体创新。其中包括：自动化大型模块的 3D 打印以及开发强大的连接技术和用于传导加热的内联加热元件沉积；对流冷却的 3D 打印冷却通道；新型复合材料系统的经济性和性能；支撑架减重；以及工具变形预测和控制，并通过数字孪生进行决策以推进3D 打印设计和制造。

总体而言，美国能源部为 10 个州的13 个项目拨款 3000 万美元，这些项目将重塑海上和陆地应用大型风力叶片的设计、材料和可持续性。大型风力叶片在设计和材料方面面临着重大挑战，特别是对于海上应用。选定的项目将应对这些挑战，重点关注可持续性、效率和技术进步，使风能应用更加可行和有效。

目前，先进的轻质复合材料已成为增强风力发电和车辆应用的关键所在。美国能源部之所以选择对3D打印风力叶片项目进行资助，是因为该技术具有增强复合材料的可制造性和坚固性的潜力，这对于风能技术未来的成功至关重要。这些被资助的项目集中于解决三个主要挑战：大型风力叶片增材制造；风力涡轮机部件的增材制造；大型风力叶片的先进制造、材料和可持续性。

普渡大学复合材料制造模拟中心执行主任 R. Byron Pipes说：“这些项目将与普渡大学项目协同发力，共同解决风力涡轮机制造中面临的挑战，并基于先前的工作在自动化、数字化、风力叶片可持续性以及模块化叶片建造和连接方面开发新的成果。替代能源系统制造中自动化的成功示范可以增强其更广泛的使用，同时维持美国的产业发展。”

在美国能源部资助的其他项目中，GE Research选择 voxeljet作为其合作伙伴，获得 1,490 万美元的联邦资助，用于大型砂粘合剂喷射 3D 打印机（也称为高级铸造单元 (ACC)）的开发和商业化，以加速美国向清洁能源型社会转型。

△粘合剂喷射的基本原理是通过将一层颗粒材料铺展到建筑平台上来定义的。随后，打印头将粘合剂施加到要打印零件的粉末床上。然后，应用一层新材料并重复该过程，直到打印出最终零件或模具。