3D‑печать лопастей и других деталей ветрогенераторов: технологии и материалы

Почему именно 3D-печать?

• Только 3D-принтеры позволяют создавать сложные внутренние структуры, такие как решетки или соты, что значительно снижает вес деталей без ущерба для их прочности;
• возможность производить компоненты непосредственно на месте, учитывая потребности и ресурсы конкретного региона;
• быстрая проверка прототипов без дорогостоящей оснастки, что сокращает цикл разработки с месяцев до нескольких дней;

• индивидуальная настройка геометрии детали в соответствии с климатическими условиями конкретной ветроэлектростанции;
• снижение складских затрат. 3D-модели хранятся в цифровом виде и печатаются по требованию;
• печать сложных узлов как единой монолитной детали, что значительно повышает их надежность;
• минимизация отходов. 3D-принтер расходует материал только там, где это действительно необходимо.

В среднем лопасти ветряных турбин достигают длины 80 метров. Когда дело доходит до производства или модернизации этих гигантских деталей, то ни одна другая технология не предлагает такой свободы, точности и адаптивности как 3D-печать.

Технологии

FDM

Послойная экструзия пластика популярна при производстве лопастей ветряных турбин из-за низкой стоимости процесса, небольшого количества отходов и относительной простоты технологии.

Пример: FDM использовали для печати лопастей ветряных турбин, работающих при низких скоростях ветра. Детали показали высокую эффективность при испытаниях в аэродинамической трубе. Системе FDM-печати потребовалось 6–12 часов для производства лопасти из PLA.

Непрерывное армирование волокном (CFR)

Этот метод печати включает в себя внедрение армирующих волокон в матричные материалы для формирования композитных продуктов с повышенной прочностью и производительностью.

WAAM

Крупномасштабная печать из металла методом проволочно-дуговой сварки делает возможным 3D-печать форм для лопастей и аэродинамических оболочек (гондол).

Стереолитография (SLA)

Технология представляет собой печать фотополимерными смолами, затвердевающими под действием луча лазера.

Пример: SLA успешно использовали для печати трех лопастей ветряных турбин диаметром 1,5 м за один раз в течение 12 часов.

Оптимизация дизайна и кастомизация

В отличие от традиционных технологий 3D-печать позволяет создавать сложные внутренние структуры, например, решетчатые или ячеистые паттерны. Такие конструкции существенно снижают вес лопасти без потери прочности, что уменьшает нагрузку на другие узлы турбины.

Также 3D-печать дает возможность гибко настраивать дизайн под конкретные условия площадки (скорость и направление ветра, турбулентность, частоту порывов, влажность и т.д.). Можно легко менять длину, форму и профиль лопасти, а также добавлять адаптивные элементы, которые оптимизируют работу при переменчивом ветре. Это повышает аэродинамическую эффективность, увеличивает выработку энергии и уменьшает шум.

Кейсы

Пресс-формы для лопастей

Управление передовых производственных технологий Министерства энергетики США начало печатать пресс-формы для лопастей. Для этой задачи использовали крупноформатный 3D-принтер.

Печать пресс-форм может сделать ветроэнергетику дешевле, как минимум потому, что данная технология сокращает затраты и время на изготовление оснастки.

Также американская научно-исследовательская организация «Сандийские национальные лаборатории» напечатала на FGF-принтере из гранул форму для изготовления 13-метровых лопастей ветрогенераторов.

На полный цикл проектирования и изготовления формы традиционными методами, включая производство прототипов, может уходить до шестнадцати месяцев. В случае с 3D-печатью время сокращается до двух недель.

Лопасти с гироидным заполнением

В Берлинском техническом университете аспирант Йорг Альбер и Лаурин Ассфальг разработали и напечатали лопасть длиной 1 м. Деталь была изготовлена за один цикл — менее чем за день — на 3D-принтере BigRep ONE с объемом рабочей области в 1 куб. м.

Поскольку лопасти ветряных турбин часто подвергаются постоянно меняющейся нагрузке, то исследователи выбрали для них гироидное заполнение. Оно известно тем, что обеспечивает высокую прочность детали во всех направлениях и позволяет экономично расходовать материал.

Турбины с напечатанными лопастями успешно прошли лабораторные испытания.

Что еще печатают?

Малые автономные турбины

Еще один проект поставил целью установку в отдаленных районах небольших пластиковых ветряных турбин, напечатанных на 3D-принтере. Основатель проекта начал с разработки турбины, способной накапливать выработанную энергию в аккумуляторах для личного использования.

В результате модель турбины была напечатана и включила в себя лопасти, втулки, соединители ротора, раму и законцовки лопастей — компоненты, которые были бы самыми дорогими при изготовлении традиционными методами.

Аэродинамические оболочки

Другие области применения 3D-печати могут включать создание, например, аэродинамических оболочек (так называемых гондол) для компонентов ветротурбины. Они защищают оборудование и служат барьером безопасности для персонала.

На 3D-принтере можно напечатать гондолу сразу целиком без последующей сборки. Это позволяет сразу проектировать внутри стенок каналы для пассивного охлаждения, трассы для проводов и рамы для окон.

Проект Additive Manufacturing Integrated Energy (AMIE) успешно изготовил при помощи 3D-принтера конструкцию гондолы.