增材制造可扭转海洋能源技术的发展趋势

　　正如牛奶和饼干，花生酱和果冻，通心粉和奶酪，这些令人愉悦的完美组合一样。近日，美国国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员发现了另一对很有前景的组合：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与海洋能源技术相辅相成。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、陶瓷或其他材料）根据三维模型创建实物的工艺。模型以数字文件创建，然后传输到打印机。

　　“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，”NREL 机械工程师、海洋能源增材制造研究的首席研究员Paul Murdy说，“显然，如果不使用金属，就不可能设计出这种结构”。

　　在美国能源部水力发电技术办公室的支持下，NREL 团队一直在分析构成潮汐涡轮机叶片的部件材料和打印方法，以推进蓝色经济计划（Blue Economy initiative）的基础研究和开发。通过研究，专家们确定不锈钢（一种耐腐蚀材料）和激光金属沉积（一种增材制造方法）是制造潮汐涡轮机支柱最有前途的选择。

　　但究竟什么是涡轮机支柱呢？支柱是涡轮叶片的骨架，将结构固定到位，这意味着它是一个关键的承重部件。而且这些部件需要在海洋环境中特别耐用。

　　“我们通过3D 打印技术开辟了一个非常独特的设计空间，”Murdy 说，“这个项目已经证明，增材制造有潜力生产出非常坚固、刚硬的结构，这将有利于海洋能源的发展。

　　增材制造还可以解决海洋能源面临的许多挑战，如制造时间长、成本高。例如，增材制造技术允许专家设计具有独特细节的部件，可以在不同的地方添加或轻松去除材料，而不会增加制造步骤或影响时间表。正因为如此，开发人员可以在更短的时间内测试几种独特的设计，而且投资大大降低。

　　推进实用、易用的技术

　　Miguel González-Montijo 是NREL 的一名研究生实习生，正在攻读土木工程博士学位，他设计了涡轮机的叶片。González-Montijo 谈到：我对叶片的几何形状很感兴趣，并希望确保叶片的形状、尺寸和复杂的几何结构，与现有的船用涡轮机叶片设计相匹配。

　　通过设计一种可用于现有潮汐涡轮机技术的叶片，该团队希望能够实现海洋能源设备的快速原型设计。有了更多的原型，就可以进行更多的测试和设计迭代，这将有助于研究人员为蓝色经济领域（如水产养殖或沿海社区的微电网）确定最有前途的技术。

　　González-Montijo 说：对于特定地方的特定社区来说，海洋能源可以改变游戏规则。例如，我的家乡波多黎各就可以从升级后的能源网中受益，该能源网采用了海洋动能等可再生能源技术。这些技术可以帮助许多小城镇建立能源复原力和独立性，同时提供本地来源的可再生能源电力。

　　利用计算机辅助设计文件（或CAD 文件）和最先进的3D 打印软件的组合，可以为不同的技术设计出独一无二的专门部件，然后打印出来与系统完美匹配。这种技术不仅可以让研究人员即插即用，研究哪些部件在某些情况下效果最佳，还可以通过广泛使用的设计工具（如标准CAD 软件）让海洋能源更容易获得。

　　例如，一个沿海社区安装了一个波浪能转换器来帮助微电网供电，但其中一个部件出现了磨损。如果能使用3D 打印机，维护设备的当地团队就可以导入CAD 文件，打印出部件并进行更换。换句话说，增材制造可以快速满足社区的需求，从而帮助沿海地区建立恢复能力和能源安全。与依赖供应链或长途跋涉获取更换部件相比，增材制造技术可以让社区对能源基础设施拥有更多的控制权。

　　达到测试点

　　NREL 研究团队目前正在测试他们的3D 打印隔仓板，以验证设计以及用于建模和制造隔仓板的工具。Murdy 说：结构验证对于确保支柱能够以我们的模型所预测的方式对实际受力做出反应，至关重要。它还有助于我们了解新型增材制造工艺与传统钢材制造技术的不同之处，以及如何在未来的设计中加以考虑。

　　研究小组计划通过逐步增加对撑杆的作用力和重量来进行载荷测试，最大载荷为1900 磅，比支柱的设计载荷高出50%。研究人员还将进行疲劳测试（即重复应力和应变），以了解支柱在海洋环境的强度下还能支撑多久。

　　Murdy 说：这次测试是研究的最后一环，将使项目圆满结束。我们在这个项目中采取了全方位的方法，从理论建模到物化测试，发挥了所有能力。NREL 团队依靠Ai-Build 来制造支柱（打印耗时约一周）。

　　不过，这个项目证明，拥有3D打印这些类型组件的能力，将使实验室的海洋能源和水力研究受益匪浅。很快，NREL的研究人员就能通过3D 打印机，用金属和其他创新材料制造类似的部件。测试完成后，NREL 的团队将对结果进行综合分析，并继续迭代支柱设计。此外，他们还将研究这种方法可以促进海洋能源技术发展的其他领域。