研究

美国国家可再生能源实验室用可回收树脂3D打印了13米长的涡轮叶片

美国的研究人员国家可再生能源实验室(NREL)开发了一种制造风力涡轮机叶片的新方法,提高了它们的性能和寿命结束时的可回收性。

该团队没有使用普通热固性树脂制作叶片,而是设计了一种独特的装置,使用热塑性塑料进行3D打印,之后可以加热回收原始聚合物进行再利用。将他们的方法付诸实践后,工程师们已经成功制造出了一个13米长的原型机。他们相信,在未来,这一过程将为制造商带来成本和速度上的提高。

NREL的研究人员是一个13米高的热塑性叶片原型。
NREL研究人员的13米热塑性叶片原型的一部分。照片来自NREL的Ryan Beach。

“革新”叶片设计

目前,许多公用工程规模的风力涡轮机叶片都采用了类似的翻盖式设计,其中两层玻璃纤维“表皮”用胶粘剂粘合在一起,并用剪切板加固。然而,这些大尺寸零件往往是用环氧树脂、聚酯和乙烯酯等热固性树脂生产的,这些树脂一旦固化,就会以一种不可逆的交联方式使其塑料无法重复使用。

NREL项目负责人Derek Berry解释说:“一旦你用热固性树脂系统生产了刀片,就无法逆转这一过程。“这使得刀片很难回收。”更重要的是,根据NREL自己的说法,在过去的25年里,为了提高效率,这个过程可能做了一些调整,但实际上变化很小,因此涡轮机的建造方式与它们的可持续形象不符。

鉴于此,拜登总统今年早些时候设定了一个雄心勃勃的目标将美国的温室气体排放量减少一半到2030年,并强调“绿色能源技术”对实现这一目标至关重要,NREL的研究人员现在已经确定需要进行一次“彻底改变风力涡轮机叶片制造方式”的改造。

NREL的彗星产生了影响

为了使刀片生产更圆,贝瑞和他的团队与NREL的同事们开始了一个项目复合材料制造教育与技术或“彗星”设施。该综合体于2017年开业,专门致力于推进风力、水力和复合材料技术的研发,为用户提供3D打印工具、复合材料搅拌设备和原型工具。

在Berry的项目中,它是由美国能源部高级制造办公室他和他的团队已经开发出了一种能够处理可回收热塑性塑料的系统。然后这些可以用来打印更多的圆形刀片,这些刀片可以通过热焊接连接到其他部件上,在这个过程中,不需要通常有毒和昂贵的粘合剂。

通过从传统制造方法转向3D打印,多学科团队还能够生产出更先进的叶片,具有高度工程化的网状结构,其“表皮”之间具有不同的密度和几何形状,它们本身可以使用热塑性树脂系统注入。

“通过两个热塑性刀片组件,可以将它们连接在一起,并通过加热和压力将它们连接在一起。而热固性材料则无法做到这一点。”

利用他们的新装置,Berry和他的团队已经能够在NREL的CoMET设施建造一个13米长的热塑性塑料原型,充分利用了这些3D打印相关的好处。

与合作伙伴合作TPI复合材料添加剂工程解决方案Ingersoll机床范德比尔特大学先进复合材料制造创新研究所在美国,研究人员相信,未来有可能将涡轮机叶片的重量和成本降低10%,交货时间减少15%,同时开发长度达100米的轻量化部件。

此外,今年早些时候,NREL的研究获得了资金支持,同时还有两个补助项目,这两个项目也在研究3D打印涡轮机叶片的潜力。而科罗拉多州立大学目前正在研究纤维增强复合材料,以创造新的内部叶片结构,通用电气的研究正在开发一个全尺寸3D打印叶片尖端结构测试。

通用电气的halade - x海上风力涡轮机。
通用电气公司的halade - x海上风力涡轮机(如图)的叶片现在将使用一个巨大的3D打印模具制造。通过通用电气图。

AM-enhanced清洁能源

随着世界开始转向离岸能源解决方案,以应对全球气候危机,大量研究正在投入,使风力涡轮机本身更环保。工程师们麦吉尔大学瑞尔森大学已开发出一种将风力涡轮机叶片废料转化为新型3D打印PLA,可生产纤维增强零件。

今年早些时候缅因大学还获得了280万美元的联邦资金,以支持其环保的发展涡轮叶片模具3D打印的过程。与NREL团队的项目类似,UMaine的研究也得到了Ingersoll Machine Tools的支持,他们的研究更侧重于使用生物基原料,这样就有可能将制造大型部件的成本减半。

而在德国,弗劳恩霍夫IGCVvoxeljet已经开始推进3D打印风力涡轮机叶片的规模,而不是专注于改善其圆形。为了实现这一目标,这两个组织正在进行一项“推进铸造细胞”能够生产出铸造零件所需的模具通用电气的Haliade-X涡轮,每个可重达60吨。

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特色图像显示了NREL研究人员的13米热塑性叶片原型的一部分。照片来自NREL的Ryan Beach。

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