美国国家可再生能源实验室用可回收树脂3D打印13米涡轮叶片

美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的研究人员开发了一种制造风力涡轮机叶片的新方法，可提高其性能和报废回收率。该团队不是用普通的热固性树脂制造刀片，而是设计了一种独特的设置，使用热塑性塑料进行 3D 打印，随后可以加热以恢复其原始聚合物以供重复使用。将他们的方法付诸实践，工程师们已经设法制造了一个 13 米长的原型，并且在未来，他们相信这个过程可以为制造商带来成本和速度的收益。

NREL 研究人员的 13 米热塑性叶片原型的一部分。照片来自 NREL 瑞安海滩。

“革命性”叶片设计

目前，许多公用事业规模的风力涡轮机叶片具有类似的翻盖式设计，其中两个玻璃纤维“表皮”用粘合剂粘合在一起，并使用抗剪腹板加固。然而，这些大型部件往往是用环氧树脂、聚酯和乙烯基酯等热固性树脂生产的，一旦固化，就会以一种使其塑料无法重复使用的方式不可逆地交联。

NREL 项目负责人德里克·贝里 (Derek Berry) 解释说：“一旦您生产出带有热固性树脂系统的叶片，就无法逆转该过程。” “这使得刀片难以回收。”更重要的是，根据 NREL 本身的说法，在过去的 25 年中，该过程可能已经为提高效率而进行了调整，但实际上变化很小，因此涡轮机的建造方式不符合其可持续发展的形象。鉴于今年早些时候，拜登总统设定了到 2030 年将美国温室气体排放量减少一半的雄心勃勃的目标，并强调“绿色能源技术”对于实现这一目标至关重要，NREL 研究人员现在已经确定需要进行“彻底改变”风力涡轮机叶片是如何制造的。”

NREL 的 CoMET 产生了影响

为了使叶片生产更加循环，Berry 和他的团队与 NREL 复合材料制造教育和技术或“CoMET”设施的同事开始了一个项目。该综合体于 2017 年开业，专门推进风能、水力和复合技术的研发，为用户提供 3D 打印工具、复合混合设备和原型工具。

就 Berry 的项目而言，该项目得到了美国能源部先进制造办公室的支持，他和他的团队已成功开发出一种能够加工可回收热塑性塑料的系统。然后，这些可用于打印更多圆形刀片，这些刀片可通过热焊接连接到其他部件，在此过程中无需使用通常有毒且昂贵的粘合剂。通过从传统制造方法转向 3D 打印，多学科团队还能够生产更先进的叶片，其具有高度工程化的网状结构，其“表皮”之间的密度和几何形状各不相同，它们本身可以是使用热塑性树脂系统注入。

“通过两个热塑性叶片组件，您可以将它们组合在一起，并通过施加热量和压力将它们连接起来。你不能用热固性材料做到这一点。”利用他们新颖的设置，Berry 和他的团队已经能够在 NREL 的 CoMET 设施中构建一个 13 米长的热塑性塑料原型，它充分利用了这些 3D 打印相关的优势。与合作伙伴 TPI Composites、Additive Engineering Solutions、Ingersoll Machine Tools、范德比尔特大学和先进复合材料制造创新研究所合作，研究人员认为，未来有可能将涡轮叶片的重量和成本降低 10%，并且他们的交货时间缩短了 15%，同时开发了长达 100 米的轻量化部件。