康考迪亚大学突破：4D打印无模具制造风力涡轮叶片，重量减轻80%

康考迪亚大学的研究人员开发出一种制造方法，无需使用传统成型所需的复杂模具，即可从平板碳纤维复合材料板生产出垂直轴风力涡轮机（VAWT）的弯曲叶片。
这项技术被描述为复合材料4D打印，由博士生Emad Fakhimi和康考迪亚复合材料中心的Suong Van Hoa教授共同开发。
该方法并非依赖传统的聚合物3D打印，而是堆叠连续纤维复合材料预浸料层，使得热膨胀差异迫使初始平坦的层压板在固化后冷却时弯曲。

VAWT越来越多地安装于建筑物和城市环境中，但其弯曲叶片传统上采用依赖复杂模具的专门成型工艺生产。
据该大学称，这些模具增加了成本、制造时间和成品叶片的重量。
避免使用复杂的弯曲模具可以减少复合材料制造的时间和成本。

为了避免基于模具的工艺，研究人员构建了他们所称的首个此类「逆」设计流程。
传统复合材料设计从选定的铺层（碳纤维层的排列和取向）开始，并观察由此产生的形状。
Fakhimi和Van Hoa的方法则反向操作，从所需的叶片几何形状出发，逆向计算以确定层需要如何排列和取向才能生成该形状。
此前的对此效应的研究遵循作者所称的正向设计流程，选择铺层顺序并确定其产生的形状。
新研究逆转了这一过程。
Fakhimi和Hoa从现有叶片段的实测几何形状开始，逆向推导出能够再现该形状的铺层顺序。
研究人员将这一逆向过程描述为论文的主要贡献。

在制造过程中，平直的碳纤维或环氧树脂层压板被固化，然后在冷却过程中变形为目标的弯曲形状，这是各层间工程设计的材料特性差异导致的结果。
康考迪亚的方法不同于基于刺激响应材料（如形状记忆聚合物、液晶弹性体和水凝胶）的常规4D打印方法。
相反，该工艺利用了含有连续纤维的碳/环氧层压板的各向异性行为，这些纤维通常占材料体积的50%到60%。
预浸料可以手动铺放，或使用自动纤维铺放系统沉积。
关键在于非对称的铺层顺序。
当环氧树脂在加热下固化并粘合各层时，不同方向纤维之间的热膨胀差异在冷却过程中产生内力，这些力将平坦的层压板弯曲成目标弯曲几何形状。

团队选择了R & X Technology公司的RX-SV2垂直轴涡轮机作为测试平台。
该商业系统转子直径为0.48米，额定输出功率为200瓦。
其两个扭曲的铝制叶片各由五个弯曲段组装而成。
研究人员使用激光投影系统测量了一个叶片段，并记录了200个点的坐标。
然后使用MATLAB重建表面并计算其主曲率。
结果显示，该段沿一个轴强烈弯曲，而沿另一轴几乎保持笔直，这为层压板设计提供了目标几何形状。

使用Rock West Composites 1409-D碳/环氧预浸料，研究人员建模了几种层压板排列方式。
他们选择了三层的[0/90₂]构型，因为它在限制材料用量的同时，产生了所需范围内的曲率。
完成的层压板厚度约为0.45毫米。
为了再现叶片表面取向的变化，平坦的坯料被分为四个区域。
在这些区域中，纤维方向逐步旋转，同时保持相同的底层铺层结构。
预浸料被加热至135°C，在该温度下保持90分钟，然后冷却。
固化过程中施加约273 kPa的压力。
冷却后，层压板总体上与原始铝制部件匹配。
最大偏差出现在一个边缘，约为该段半径的9%。
研究人员表示，这种差异可以通过在组装过程中约束各段来修正。
生产了五个叶片段并组装成一个完整的叶片。
它们的尺寸彼此相差在1%以内，表明小批量生产的一致性。

研究人员报告称，所得到的复合材料叶片与商业铝制涡轮叶片形状非常接近，而重量减轻约80%。
每个铝制段重256.2克，而碳/环氧版本重51.3克，段质量减少了约80%。
在实验室测试中，气流测试比较了装有铝制叶片的涡轮机与使用碳/环氧替代叶片的涡轮机。
在三种风扇设置下，铝制涡轮机分别达到27、48和71 rpm。
在相同条件下，复合材料版本达到30、52和76 rpm。
研究人员认为，这种质量减轻是测试中记录到更高转速的一个可能原因。
然而，实验并未测量电力输出或发电机效率。
最大气流速度仅为4.6米/秒，远低于涡轮机额定风速12米/秒。
因此，该设置提供的是受控对比，而非在代表性工况下的验证。

研究人员表示，这种方法可以降低制造成本，并扩大轻质复合材料结构在可再生能源系统及其他工程应用中的使用。
作者还指出，弯曲刚度、疲劳性能、环境耐久性以及抵抗离心力和气动载荷的能力是需要进一步研究的领域。
在考虑叶片安全经济运行之前，必须评估这些因素。
因此，该研究展示的是一种制造和逆向设计方法，而非商业验证的涡轮机升级。
其主要成果是，无需专用的弯曲模具，即可从平坦层压板重复生产出弯曲的复合材料段。
该研究已发表在期刊《聚合物复合材料》上。

最近的增材制造研究也聚焦于减少复合材料对专用模具的依赖。
橡树岭国家实验室开发了一种受折纸启发工艺，将复合材料沉积在柔性织物基底上形成平板，然后折叠成最终三维形状。
在与等效独特设计的对比中，橡树岭国家实验室报告称，相对于基于模具的制造，制造时间减少了95%，成本降低了90%。
然而，该专利工艺仍处于实验室和许可阶段。
科罗拉多州立大学和亚利桑那州立大学的研究人员则采取了另一条路线，在沉积过程中固化碳纤维增强热固性材料。
他们的机器人工艺利用激光诱导加热局部固化复合材料，无需成形模具、支撑结构和单独的烘箱固化阶段。
该团队展示了长达1.8米的无支撑弯曲连续纤维路径。