增材制造可以扭转海洋能源技术的潮流

牛奶和饼干。花生酱和果冻。通心粉和奶酪。所有令人愉快的完美配对。国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员发现了另一个有前景的组合：海洋能源和增材制造。

自2022年2月以来，NREL和西北太平洋国家实验室的研究人员一直在探索增材制造如何补充海洋能源技术。增材制造通常被称为3D打印，是一种使用薄层材料(如聚合物、金属、陶瓷或其他)从三维模型创建物理对象的过程。在数字文件中创建模型，然后将其传输到打印机。

机械工程师保罗·默迪(PaulMurdy)表示：“一开始，我们很快就发现，典型的塑料增材制造工艺无法生产出足够坚固的部件来应对海洋力量。”兼海洋能源增材制造研究首席研究员PaulMurdy说。“很明显，不使用金属就不可能设计这种结构。”

在美国能源部水力技术办公室的支持下，为了推进“为蓝色经济提供动力”计划的基础研究和开发，NREL团队一直在分析构成潮汐涡轮机叶片的组件的材料和打印方法。

专家通过研究确定，不锈钢(一种耐腐蚀材料)和激光金属沉积(一种增材制造方法)是制造潮汐涡轮机翼梁最有前途的选择。

但涡轮机翼梁到底是什么?翼梁充当涡轮叶片的支柱，将结构固定到位，这意味着它是关键的承载部件。这些组件需要非常耐用，适合海洋环境。

“我们通过3D打印开辟了一个真正独特的设计空间，”Murdy说。“这个项目证明了增材制造有潜力生产出非常坚固、坚硬的结构，这将有利于海洋能源。”

增材制造还可以解决海洋能源面临的许多挑战，例如制造周期长和成本高。例如，增材制造允许专家设计具有独特细节的组件——材料可以在不同的地方添加和轻松取出，而无需增加制造步骤或影响时间表。因此，开发人员可以在更短的时间内以显着降低的投资来测试多种独特的设计。

推进实用且可获取的技术

米格尔·冈萨雷斯·蒙蒂霍(MiguelGonzález-Montijo)是NREL的实习生，即将获得土木工程博士学位，他设计了涡轮机的翼梁。

“我对翼梁的几何形状很感兴趣，并希望确保翼梁的形状、尺寸和复杂的几何形状与现有的船用涡轮机叶片设计相匹配，”冈萨雷斯-蒙蒂霍说。

通过设计可用于现有潮汐涡轮机技术的翼梁，该团队希望能够实现海洋能源设备的快速原型设计。拥有更多的原型将允许更多的测试和设计迭代，这将有助于研究人员确定蓝色经济领域最有前途的技术，例如沿海社区的水产养殖或微电网。

“对于特定地方的特定社区来说，海洋能源可能会改变游戏规则，”冈萨雷斯-蒙蒂霍说。“例如，我的家乡波多黎各可以受益于升级后的能源网，该电网融合了海洋流体动力能源等可再生能源技术。这些技术可以帮助许多小镇建立能源弹性和独立性，同时提供本地来源的可再生电力。”

结合使用计算机辅助设计文件(或CAD文件)和最先进的3D打印软件，可以针对不同的技术对零件进行独特且专门的设计，然后进行打印以完美地适应系统。这项技术不仅可以让研究人员即插即用，研究哪些部件最适合某些场景，而且还可以通过广泛使用的设计工具(例如标准CAD软件)使海洋能源更容易获得。

例如，沿海社区安装了波浪能转换器来帮助为微电网供电，但其中一个组件磨损了。通过使用3D打印机，维护设备的本地团队可以导入CAD文件、打印零件并进行更换。

换句话说，增材制造可以通过快速满足社区的需求来帮助沿海地区建立弹性和能源安全。增材制造可以让社区更好地控制其能源基础设施，而不是依赖供应链或长途驾驶来获取替换零件。

到达测试点

NREL研究团队目前正在测试他们的3D打印翼梁，以验证设计以及用于建模和制造翼梁的工具。

“结构验证对于确保翼梁能够按照我们的模型预测的方式对现实生活中的力做出反应至关重要，”默迪说。“它还帮助我们了解新型增材制造工艺与传统钢铁制造技术的不同之处，以及我们如何在未来的设计中考虑它。”

该团队计划通过逐渐增加翼梁上的力和重量来进行负载测试，最大重量为1,900磅，比翼梁的设计承受能力高出50%。研究人员还将进行疲劳测试(即重复应力和应变)，以了解翼梁能够承受海洋环境强度的时间。

默迪说：“这项测试是我们研究的最后一部分，将使该项目圆满完成。”“我们已经能够在这个项目中采取全方位的方法：从理论建模到具体化测试，我们已经运用了我们所有的能力。”

NREL团队依靠Ai-Build自行制造晶石(打印大约需要一周时间)。然而，该项目证明，拥有3D打印这些类型组件的能力将有利于实验室的海洋能源和水力研究。很快，NREL研究人员将能够使用3D打印机，该打印机可以使用金属和其他创新材料制造类似的组件。

测试完成后，NREL团队将综合结果并继续迭代spar设计。他们还将调查该方法可以进一步推进海洋能源技术的其他领域。