正如牛奶和餅干，花生醬和果凍，通心粉和奶酪，這些令人愉悅的完美組合一樣。近日，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的研究人員發(fā)現(xiàn)了另一對很有前景的組合：海洋能源和增材制造。

　　自2022 年2 月以來，NREL 和西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員一直在探索增材制造如何與海洋能源技術(shù)相輔相成。增材制造通常被稱為3D 打印，是一種使用薄層材料（如聚合物、金屬、陶瓷或其他材料）根據(jù)三維模型創(chuàng)建實(shí)物的工藝。模型以數(shù)字文件創(chuàng)建，然后傳輸?shù)酱蛴C(jī)。

　　“一開始，我們很快就發(fā)現(xiàn)，典型的塑料增材制造工藝無法生產(chǎn)出足夠堅(jiān)固的部件來應(yīng)對海洋力量，”NREL 機(jī)械工程師、海洋能源增材制造研究的首席研究員Paul Murdy說，“顯然，如果不使用金屬，就不可能設(shè)計(jì)出這種結(jié)構(gòu)”。

　　在美國能源部水力發(fā)電技術(shù)辦公室的支持下，NREL 團(tuán)隊(duì)一直在分析構(gòu)成潮汐渦輪機(jī)葉片的部件材料和打印方法，以推進(jìn)藍(lán)色經(jīng)濟(jì)計(jì)劃（Blue Economy initiative）的基礎(chǔ)研究和開發(fā)。通過研究，專家們確定不銹鋼（一種耐腐蝕材料）和激光金屬沉積（一種增材制造方法）是制造潮汐渦輪機(jī)支柱最有前途的選擇。

　　但究竟什么是渦輪機(jī)支柱呢？支柱是渦輪葉片的骨架，將結(jié)構(gòu)固定到位，這意味著它是一個(gè)關(guān)鍵的承重部件。而且這些部件需要在海洋環(huán)境中特別耐用。

　　“我們通過3D 打印技術(shù)開辟了一個(gè)非常獨(dú)特的設(shè)計(jì)空間，”Murdy 說，“這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)證明，增材制造有潛力生產(chǎn)出非常堅(jiān)固、剛硬的結(jié)構(gòu)，這將有利于海洋能源的發(fā)展。

　　增材制造還可以解決海洋能源面臨的許多挑戰(zhàn)，如制造時(shí)間長、成本高。例如，增材制造技術(shù)允許專家設(shè)計(jì)具有獨(dú)特細(xì)節(jié)的部件，可以在不同的地方添加或輕松去除材料，而不會增加制造步驟或影響時(shí)間表。正因?yàn)槿绱?，開發(fā)人員可以在更短的時(shí)間內(nèi)測試幾種獨(dú)特的設(shè)計(jì)，而且投資大大降低。

　　推進(jìn)實(shí)用、易用的技術(shù)

　　Miguel González-Montijo 是NREL 的一名研究生實(shí)習(xí)生，正在攻讀土木工程博士學(xué)位，他設(shè)計(jì)了渦輪機(jī)的葉片。González-Montijo 談到：我對葉片的幾何形狀很感興趣，并希望確保葉片的形狀、尺寸和復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的船用渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)相匹配。

　　通過設(shè)計(jì)一種可用于現(xiàn)有潮汐渦輪機(jī)技術(shù)的葉片，該團(tuán)隊(duì)希望能夠?qū)崿F(xiàn)海洋能源設(shè)備的快速原型設(shè)計(jì)。有了更多的原型，就可以進(jìn)行更多的測試和設(shè)計(jì)迭代，這將有助于研究人員為藍(lán)色經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域（如水產(chǎn)養(yǎng)殖或沿海社區(qū)的微電網(wǎng)）確定最有前途的技術(shù)。

　　González-Montijo 說：對于特定地方的特定社區(qū)來說，海洋能源可以改變游戲規(guī)則。例如，我的家鄉(xiāng)波多黎各就可以從升級后的能源網(wǎng)中受益，該能源網(wǎng)采用了海洋動能等可再生能源技術(shù)。這些技術(shù)可以幫助許多小城鎮(zhèn)建立能源復(fù)原力和獨(dú)立性，同時(shí)提供本地來源的可再生能源電力。

　　利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)文件（或CAD 文件）和最先進(jìn)的3D 打印軟件的組合，可以為不同的技術(shù)設(shè)計(jì)出獨(dú)一無二的專門部件，然后打印出來與系統(tǒng)完美匹配。這種技術(shù)不僅可以讓研究人員即插即用，研究哪些部件在某些情況下效果最佳，還可以通過廣泛使用的設(shè)計(jì)工具（如標(biāo)準(zhǔn)CAD 軟件）讓海洋能源更容易獲得。

　　例如，一個(gè)沿海社區(qū)安裝了一個(gè)波浪能轉(zhuǎn)換器來幫助微電網(wǎng)供電，但其中一個(gè)部件出現(xiàn)了磨損。如果能使用3D 打印機(jī)，維護(hù)設(shè)備的當(dāng)?shù)貓F(tuán)隊(duì)就可以導(dǎo)入CAD 文件，打印出部件并進(jìn)行更換。換句話說，增材制造可以快速滿足社區(qū)的需求，從而幫助沿海地區(qū)建立恢復(fù)能力和能源安全。與依賴供應(yīng)鏈或長途跋涉獲取更換部件相比，增材制造技術(shù)可以讓社區(qū)對能源基礎(chǔ)設(shè)施擁有更多的控制權(quán)。

　　達(dá)到測試點(diǎn)

　　NREL 研究團(tuán)隊(duì)目前正在測試他們的3D 打印隔倉板，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)以及用于建模和制造隔倉板的工具。Murdy 說：結(jié)構(gòu)驗(yàn)證對于確保支柱能夠以我們的模型所預(yù)測的方式對實(shí)際受力做出反應(yīng)，至關(guān)重要。它還有助于我們了解新型增材制造工藝與傳統(tǒng)鋼材制造技術(shù)的不同之處，以及如何在未來的設(shè)計(jì)中加以考慮。

　　研究小組計(jì)劃通過逐步增加對撐桿的作用力和重量來進(jìn)行載荷測試，最大載荷為1900 磅，比支柱的設(shè)計(jì)載荷高出50%。研究人員還將進(jìn)行疲勞測試（即重復(fù)應(yīng)力和應(yīng)變），以了解支柱在海洋環(huán)境的強(qiáng)度下還能支撐多久。

　　Murdy 說：這次測試是研究的最后一環(huán)，將使項(xiàng)目圓滿結(jié)束。我們在這個(gè)項(xiàng)目中采取了全方位的方法，從理論建模到物化測試，發(fā)揮了所有能力。NREL 團(tuán)隊(duì)依靠Ai-Build 來制造支柱（打印耗時(shí)約一周）。

　　不過，這個(gè)項(xiàng)目證明，擁有3D打印這些類型組件的能力，將使實(shí)驗(yàn)室的海洋能源和水力研究受益匪淺。很快，NREL的研究人員就能通過3D 打印機(jī)，用金屬和其他創(chuàng)新材料制造類似的部件。測試完成后，NREL 的團(tuán)隊(duì)將對結(jié)果進(jìn)行綜合分析，并繼續(xù)迭代支柱設(shè)計(jì)。此外，他們還將研究這種方法可以促進(jìn)海洋能源技術(shù)發(fā)展的其他領(lǐng)域。

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