美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）为期五年的 MADE3D 项目（通过三维打印制造和增材设计电机的简称）已经结束。该项目探索了风力涡轮发电机设计和制造的新方法，利用增材制造技术减少对稀土材料的依赖，提高下一代风能系统的性能和可扩展性。
美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）为期五年的 MADE3D 项目（通过三维打印制造和增材设计电机的简称）已经结束。该项目探索了风力涡轮发电机设计和制造的新方法，利用增材制造技术减少对稀土材料的依赖，提高下一代风能系统的性能和可扩展性。
该项目由能源部风能技术办公室资助，汇集了来自 NREL、橡树岭国家实验室 (ORNL)、NASA 格伦研究中心的研究人员以及 Bergey WindPower 等行业合作伙伴。该团队致力于为 15 kW 演示装置和 15 MW 概念性海上发电机开发 3D 打印组件，与传统发电机设计相比，磁铁重量最多可减轻 35%，电工钢重量最多可减轻 20%。
最终技术报告将于 2024 年 12 月发布，其中记录的创新包括多材料转子磁芯、定制导体以及通过先进的增材制造工艺生产的聚合物粘结永磁体。与传统的有限元方法相比，该工具大大加快了发电机设计工作流程，能够快速评估各种配置中的扭矩、磁通密度和质量限制。
关键成果和技术创新
MADE3D-AML 系统使 NREL 能够探索更广阔的设计空间，并确定可显著提高性能的转子结构。其中一些优化设计实现了超过 20.4 MNm 的扭矩估计值，同时利用结合烧结和印刷聚合物粘结磁体的混合磁体成分将磁体材料成本降低了 8.75%。
尽管并非所有配置都是可制造的，但该项目证明了机器学习如何解锁可行的，具有成本效益的配置，这些配置在计算上会刺激性地探索。
研究人员还引入了一个完全可打印的定子概念，该概念采用无支撑的悬垂和拓扑优化的磁道途径设计。 结合先进的过度过度技术和材料创新，该项目展示了针对海上风量应用程序量身定制的数字制造的电动机的可行途径。
该项目还包括为 Bergey WindPower 公司设计和验证 15 千瓦原型发电机。有限元模拟和实验验证结果表明，扭矩测量结果具有很强的相关性，差异小于 10%，并揭示了通过更新磁铁间距策略进一步降低齿槽扭矩的机会。
持续影响和行业相关性
尽管Made3D已正式包装，但其贡献范围超出了项目时间表。 该研究支持DOE到2030年实现30 GW海上风能的更广泛战略。其设计文件，开放式出版物以及新颖的工作流程继续为探索可再生能源领域添加剂解决方案的工程师和公司提供通知。
三维打印与风能的未来
增材制造在重塑风能行业方面发挥着越来越重要的作用。例如，通用电气可再生能源公司（GE Renewable Energy）开设了一家专门的研究机构，开发三维打印风力涡轮机塔架，旨在降低建造成本，改善海上部署的物流。同时，优化技术使发电机部件和涡轮机硬件的重新设计成为可能，从而减轻重量、提高效率并简化制造过程。
最近，研究人员探索了循环经济策略，包括重复使用退役的涡轮机作为3D印刷基础设施的原料，例如模块化的行人桥。 这些项目反映了整个风能生命周期中3D打印的更广泛整合，从工具和零件生产到寿命终止应用，随着行业朝着全球脱碳目标扩展。
