風(fēng)力被認(rèn)為是目前可獲得的最清潔，最環(huán)境友好的能源之一，并且風(fēng)力渦輪機(jī)在這點(diǎn)上已獲得越來越多的關(guān)注。現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)通常包括塔架、發(fā)電機(jī)、變速箱、機(jī)艙和一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。轉(zhuǎn)子葉片使用已知的翼片原理捕獲風(fēng)的動(dòng)能。轉(zhuǎn)子葉片傳送以旋轉(zhuǎn)能形式的動(dòng)能，以便轉(zhuǎn)動(dòng)將轉(zhuǎn)子葉片聯(lián)接至變速箱(或如果未使用變速箱，則直接地聯(lián)接至發(fā)電機(jī))的軸。發(fā)電機(jī)然后將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，電能可部署至公用電網(wǎng)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，GE通過3D打印技術(shù)積極布局對自身產(chǎn)業(yè)的變革。

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更好的風(fēng)能

/ 風(fēng)力渦輪的回轉(zhuǎn)支承軸承

通常，風(fēng)力渦輪包括塔架、安裝在塔架上的機(jī)艙和聯(lián)接到機(jī)艙的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子大體上包括可旋轉(zhuǎn)的轂和聯(lián)接到轂并從轂向外延伸的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片。每個(gè)轉(zhuǎn)子葉片可圍繞轂間隔開，以便于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，使得動(dòng)能能夠被轉(zhuǎn)換成可用的機(jī)械能，然后該機(jī)械能可被傳輸?shù)皆O(shè)置在機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)，以用于產(chǎn)生電能。

為了使機(jī)艙和轉(zhuǎn)子葉片相對于風(fēng)的方向正確定向，風(fēng)力渦輪典型地包括一個(gè)或多個(gè)偏航軸承或變槳軸承。偏航軸承允許機(jī)艙旋轉(zhuǎn)，并安裝在塔架和機(jī)艙之間。變槳軸承允許轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)，并安裝在可旋轉(zhuǎn)轂和轉(zhuǎn)子葉片之間。

目前，偏航軸承和變槳軸承是回轉(zhuǎn)支承軸承，其包括外座圈和內(nèi)座圈，在外座圈和內(nèi)座圈之間有多個(gè)滾珠軸承。此外，典型的變槳軸承包括在內(nèi)座圈上的多個(gè)齒輪齒，而典型的偏航軸承包括在外座圈上的多個(gè)齒輪齒。因此，一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配置成通過接合齒輪齒來驅(qū)動(dòng)軸承。

常規(guī)變槳軸承和偏航軸承的內(nèi)座圈和外座圈經(jīng)由鍛造過程制造，該過程可能是耗時(shí)且昂貴的。因此，GE將增材制造技術(shù)用于制造風(fēng)力渦輪的偏航軸承和變槳軸承的改進(jìn) 。

▲風(fēng)力渦輪機(jī)艙的詳細(xì)內(nèi)部視圖

GE專利

▲風(fēng)力渦輪的偏航軸承透視圖

GE專利

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究了解，GE經(jīng)由增材制造過程將涂層材料施加到多個(gè)齒輪齒的至少一部分。涂層材料不同于基底材料。增材制造包括冷噴涂、熱噴涂、激光熔覆、粘合劑噴射、材料噴射、定向能量沉積、粉末床選區(qū)金屬熔化等技術(shù)種類。涂層材料包括氮化硼、氧化鋁、碳化硅、碳化鎢、鎳基合金或能夠提供期望硬度的任何其它材料。

/ 輕質(zhì)轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)件(如抗剪腹板)

風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片大體包括通常利用模制工藝形成的吸入側(cè)殼和壓力側(cè)殼，吸入側(cè)殼和壓力側(cè)殼在沿葉片的前緣和后緣的粘合線處粘合在一起。此外，壓力殼和吸入殼是相對輕質(zhì)的，并且具有未構(gòu)造成承受操作期間施加在轉(zhuǎn)子葉片上的彎矩和其它負(fù)載的結(jié)構(gòu)性質(zhì)(例如，剛度、抗屈曲度和強(qiáng)度)。因此，為了增加轉(zhuǎn)子葉片的剛度、抗屈曲度和強(qiáng)度，通常使用接合殼半部的內(nèi)部壓力側(cè)表面和吸入側(cè)表面的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(例如，在其間構(gòu)造有抗剪腹板的相對的翼梁帽)來增強(qiáng)主體殼。

▲轉(zhuǎn)子葉片的橫截面視圖

GE專利

這種結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常由各種材料構(gòu)成，包括但不限于玻璃纖維層壓復(fù)合物和/或碳纖維層壓復(fù)合物。更具體地說，轉(zhuǎn)子葉片的殼大體通過將纖維織物層堆疊在殼模具中而圍繞葉片的翼梁帽構(gòu)建。然后通常將這些層與樹脂材料一起灌注。此外，通常使用類似的模制工藝來構(gòu)造抗剪腹板，且然后將抗剪腹板安裝在翼梁帽之間。

隨著轉(zhuǎn)子葉片的尺寸繼續(xù)增加，翼梁帽和抗剪腹板的尺寸也增加并且增加了整個(gè)轉(zhuǎn)子葉片的重量。因此，不停在尋找新的和改進(jìn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如抗剪腹板)及其制造方法成為制造商的追求，而更高性能的結(jié)構(gòu)構(gòu)件為轉(zhuǎn)子葉片提供所需的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還使轉(zhuǎn)子葉片的總重量最小化。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究發(fā)現(xiàn)，GE在探索通過3D打印-增材制造、自動(dòng)纖維沉積的技術(shù)以及利用CNC控制和多種自由度來沉積材料制造具有格構(gòu)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)件(如抗剪腹板)。這其中由3D打印形成轉(zhuǎn)子葉片構(gòu)件的內(nèi)部格構(gòu)結(jié)構(gòu)包括多個(gè)開孔。

/ 葉片

讓風(fēng)機(jī)變得更高后，更輕則是下一個(gè)追求。3D科學(xué)谷了解到GE與美國能源部建立合作，研究使用3D打印制造風(fēng)機(jī)葉片。這個(gè)為期25個(gè)月、耗資670萬美元的項(xiàng)目將重點(diǎn)研究如何通過低成本的熱塑性材料和3D打印技術(shù)制造一套風(fēng)機(jī)葉片的葉尖部分。完成后，GE團(tuán)隊(duì)及其合作伙伴——橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室將對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行測試，并將三套葉尖安裝到風(fēng)機(jī)上。

對于技術(shù)創(chuàng)新的不斷追求促使GE一直在尋求改良葉片生產(chǎn)制造的方式，包括將3D打印技術(shù)與熱成型、自動(dòng)化和熱塑性材料等先進(jìn)工藝結(jié)合起來。

目前，風(fēng)機(jī)葉片大多是由在玻璃纖維和碳纖維中加入環(huán)氧樹脂或聚酯樹脂的復(fù)合材料制成的，而使用輕型熱塑性復(fù)合材料和3D打印的葉片則具有多項(xiàng)優(yōu)勢，包括：

- 輕型葉片可以帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生更多動(dòng)力，提高風(fēng)機(jī)的發(fā)電量

- 輕型葉片可以減輕對塔筒和輪軸的負(fù)載，減少齒輪箱、傳動(dòng)系統(tǒng)、軸承和基座的磨損，從而降低全生命周期成本

- 熱塑性材料更方便進(jìn)行拆除后的熔化和回收

葉尖部分完成后，GE團(tuán)隊(duì)接下來還會(huì)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的其他部分。20多年前，GE開始在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中引入輕型復(fù)合材料風(fēng)扇葉片。今天，通過合作伙伴的共同努力，GE正在把更先進(jìn)的材料技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片中，以降低風(fēng)電度電成本，提高性能，并持續(xù)推動(dòng)行業(yè)的綠色低碳發(fā)展。

l3D科學(xué)谷全球戰(zhàn)略合作伙伴AMPower曾預(yù)測，金屬3D打印領(lǐng)域，以粘結(jié)劑噴射為代表的間接金屬3D打印將以加速發(fā)展的態(tài)勢超越當(dāng)前基于粉末床的選區(qū)金屬熔化3D打印技術(shù)的市場占有率。關(guān)于全球增材制造技術(shù)與市場發(fā)展趨勢洞察，歡迎參加2021年5月27日國家會(huì)展中心（7.1號(hào)館）舉辦的TCT亞洲3D打印、增材制造展覽會(huì)期間3D科學(xué)谷創(chuàng)始人Kitty關(guān)于《全球增材制造市場技術(shù)趨勢、市場概況及發(fā)展預(yù)測，中國市場典型產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用》的主題分享。