无惧“垃圾电”恶名，3D打印逐步渗透风电产业

导语：

当今，在双碳目标的指引下，风电产业正迎来新一轮增长。然而，快速发展的背后，风电产业也面临着诸多成长的烦恼：大型化风机部件制造难、供应链短板制约、海上风电运维成本高。

经历过西方的「垃圾电」反风电浪潮过后，随着储能技术的逐步发展，风电并网问题逐步解决，风电再一次成为不可或缺的清洁能源配置。

在风电产业发展中，针对种种痛点，3D打印技术逐渐崭露头角，以柔性化制造、性能加强、绿色化生产等诸多优势，为风电产业插上腾飞的翅膀。那么，3D打印将如何助力风电产业？让我们一起走进这场「风能+增材」的应用探索盛宴。

一、风电产业：转型关口的「急刹车」 

随着全球能源转型的深入推进，风电产业正以前所未有的速度扩张。

根据GWEC预测，2030年全球风电新增装机容量将达到180G瓦，是2020年的3倍。

然而，高歌猛进的背后，风电产业也面临着诸多亟待破解的阵痛： 

首先，大型化风机部件制造难度大，交付周期长。

风机大型化趋势下，关键部件如叶片长度超过100米，单个叶片重达50吨，对制造装备和工艺提出了极高要求。

传统的手工叠层等工艺，难以应对日益增长的生产需求，交付周期动辄数月甚至更久。

而叶片通常由玻璃纤维增强塑料制成，这种材料很难回收利用，也是传统风力涡轮机制造方法面临的一大挑战。

其次，多层级供应链导致库存积压，供应短板频出。

一台风机零部件可多达8000种，供应商遍布全球。在订单波动、物流不畅的情况下，库存积压、供应短板时有发生，成为风电企业的「达摩克利斯之剑」。

再次，海上风电运维难度大、成本高。海上风电虽然拥有丰富的风能资源，但恶劣的海洋环境也为风机运维带来挑战。

备件供应不及时、检修人员上下风机困难等，都制约着海上风场的发电效率。据统计，海上风电的运维成本是陆上的2-3倍。

而今，风电产业正处于转型升级的关键窗口期。传统的制造工艺、供应链管理、运维模式已难以支撑行业的进一步腾飞。风电产业亟需一剂猛药，加速转型、优化发展。 

二、3D打印，风电产业有了新「翅膀」 

当3D打印遇上风电，会碰撞出怎样的火花？据Additive Manufacturing Research的一份报告显示，到2032年，3D打印在风电行业的市场规模有望达到170亿欧元。

事实上，3D打印技术以其诸多独特优势，正悄然影响风电制造、供应链、运维等多个关键环节，为行业插上腾飞的翅膀。 

3D打印助力风电叶片和其他部件加工 ，提高性能

美国能源部下属的橡树岭国家实验室（ORNL）正在研究如何利用3D打印，通过3D打印模具间接制造风机叶片，优化风机叶片的气动外形。新型3D打印叶片的空气动力学性能得到显著提升，风能利用效率更高。

德国柏林工业大学也在开展「3D打印推动风力涡轮机研究」项目。该团队运用大型FDM3D打印机，一次性打印出整个风力涡轮机，并在大型风洞中测试不同叶片配置的转子性能。这种测试方法可以快速评估使用各种3D打印材料进行多次迭代生产的效果。

美国能源部 (DOE) 授予普度大学及其合作伙伴 284.9 万美元，用于开发用于制造大型风电叶片的 3D 打印模块化工具。该项目旨在自动化制造过程，降低成本并提高工具性能。

该项目是 DOE 更大规模计划的一部分，该计划旨在投资 3000 万美元用于 13 个项目，该项目的具体目标包括开发一种模块化设计，用于制造长度等于或大于80米的风电叶片；将风电叶片工具的制造和组装时间缩短至少40%；提高工具性能至少15%；工具重量减少至少25%；将风电叶片工具的制造成本降低至少35%。

通用电气 (GE) 旗下的研究部门、可再生能源部门和风电业务部门 LM Wind Power 联合获得了美国能源部的资助，将研究 3D 打印风力发电机叶片的技术。该项目将与橡树岭国家实验室和国家可再生能源实验室合作，历时 25 个月，耗资 670 万美元。目标是开发用于大型风电机叶片的新型高性能叶尖的 3D 打印制造工艺。

项目将交付一个用于结构测试的完整尺寸叶尖，以及三个将安装在风力发电机上的叶尖。研究重点将放在低成本热塑性蒙皮和打印增强材料的结合上。

这项研究有望降低风力发电的制造成本，并通过使用可回收材料和减少制造废料来提高环保效益。此外，3D 打印技术还能缩短设计周期、优化风力发电场布局，最终降低风电的单位能源成本。这样的例子还有很多。

建筑3D打印建造风力发电的底座

GE 可再生能源公司、建筑材料公司 LafargeHolcim 和 3D 打印建筑商 COBOD 将合作开发用于 200 米高风力发电机的 3D 打印混凝土底座。

项目目标是大大降低海上风力发电设施的部署成本。获得资金后，RCAM 将首先在 NREL 设置大型混凝土 3D 打印系统，用于建造海上风力发电的固定式支撑结构。

偏远海域运维难题？移动3D打印工厂让备件零距离「充电」 

西门子公司在其丹麦风机工厂部署3D打印机群，可就近打印汽轮叶片等易损件，备件交付周期从数月缩短至1周。

Orbital Composites公司专门从事使用现场、高通量的大规模增材制造技术生产风机涡轮叶片、塔架等，致力于开发能够直接在海上船舶上3D打印风力涡轮机的系统。这将大大提高海上风电的运维效率。

「升级再造」，3D打印盘活存量风机资产 

缅因大学的研究人员获得了一项 7.5 万美元的赠款，用于探索将风力发电机叶片回收为 3D 打印的原料。该项目旨在通过粉碎和研磨风力发电机叶片来代替短碳纤维，实现复合叶片材料的 100% 机械回收。这不仅有利于环境保护，还能降低预制混凝土模板的材料成本并实现自动化生产。

三、产业观察：「风口」虽至，成熟的产业化应用尚需时日 

当前，3D打印正以燎原之势，席卷风电产业的各个角落。通用电气、西门子Gamesa等全球风电巨头纷纷加码3D打印。

从全产业链来看，风机OEM、材料商、设备商、服务商等多方力量正协同发力，共同推进3D打印在风电领域的规模化应用。在风能行业最常用的3D打印技术中，FDM占据显著地位，主要用于原型和部件制造。DED、SLS、DMLS、粘结剂喷射等其他技术也被广泛采用。

然而，3D打印要真正赋能风电产业，仍有诸多挑战需要攻克。

尽管3D打印在原型生产方面具有成本优势，但设备和材料的初期投入仍然较高。此外，如何进一步提升大型零部件的成形效率？如何保证3D打印零件的一致性与稳定性，满足风电行业严苛的标准和认证要求？再制造与回收工艺如何实现产业化？这些都需要全行业的共同努力。

结语：

增材制造与风力发电，看似风马牛不相及，实则应用案例越来越多。

除了工业风机的直接制造，家用风机的3D打印应用以及风机零件的修复案例在本文并没有提及，以后单独再讲。

无论如何，很明显，3D打印在风能领域的应用显示出巨大的创新和提高效率的潜力。世界各地的公司和研究机构都认识到这项技术的好处，并投资于增材制造方法的开发和应用。

3D打印从原型和组件的生产到整个风力涡轮机的制造，它们提供了传统制造方法无法提供的灵活性和适应性。尽管仍然存在挑战，但3D打印将在风能领域将持续渗透。