5 opportunités de fabrication additive dans l'industrie éolienne

Par Leslie Langnau | 30 janvier 2019

Par Inês Castro, scientifique et ingénieure en matériaux

Les technologies de fabrication additive (AM) offrent une gamme d'avantages pour l'industrie éolienne. Les exemples suivants montrent que la mise en œuvre est possible, voire recommandée, pour un fournisseur d'énergie plus compétitif sur le marché. Une fois les technologies plus développées, fiables et standardisées, les chaînes de fournisseurs seront réduites et la production pourrait être plus localisée, réduisant les temps et les coûts de transport, permettant la mise en œuvre de la FA dans l'industrie éolienne.

En général, la FA peut accélérer le temps de développement des pièces et des composants jusqu'à 75 %, réduire les ressources matérielles jusqu'à 65 % et réduire les émissions de gaz jusqu'à 30 %. De plus, une seule pièce peut être fabriquée en une seule étape, ne nécessitant pas de processus d'assemblage secondaire.

De plus, la fabrication additive peut également être utilisée dans la réparation de composants.

Fabrication additive appliquée aux éoliennes Le Global Wind Energy Council a déclaré que l'industrie éolienne connaît une croissance exponentielle ces dernières années avec l'aide du marché des éoliennes offshore. Ainsi, le développement et l'innovation à travers les matériaux et les technologies de fabrication sont essentiels pour que l'industrie éolienne prospère et continue d'augmenter sa production annuelle d'énergie [7].

Les pales d'une éolienne tournent et se déplacent sous l'action du vent, faisant tourner le rotor. La boîte de vitesses fait le lien entre l'arbre à basse vitesse et l'arbre à grande vitesse, augmentant les rotations par minute de 30 à 60 tr/min à environ 1000 à 1800 tr/min, qu'un générateur attaché utilise pour convertir ces rotations pour produire de l'énergie électrique. La tour supporte la structure de la turbine, la nacelle contenant et protégeant les composants au sommet de la tour [9].

Les technologies AM présentent un grand potentiel en ce qui concerne l'industrie de l'énergie éolienne, car elles pourraient permettre la fabrication in situ de composants d'éoliennes conçus pour les besoins uniques des ressources d'un emplacement particulier. Cela réduirait, par exemple, les coûts d'expédition, de transport et de manutention et augmenterait la vitesse à laquelle de nouveaux prototypes de pales peuvent être testés [6].

Moules de fabrication additive L'Advanced Manufacturing Office (AMO) du département américain de l'énergie a commencé à imprimer des moules pour les pales avec les technologies AM (figure 2). L'expansion de cette application dans l'industrie du moule réduirait les étapes, le coût et le temps de fabrication du moule, car la voie traditionnelle est un processus qui peut prendre plusieurs semaines à plusieurs mois pour être réalisé dans sa totalité [6, 10].

Le moule de la figure 2 a été imprimé en plusieurs sections sur une imprimante 3D Big Area Additive Manufacturing (BAAM) au laboratoire national d'Oak Ridge.

Figure 4 : La section de lame produite sur le moule imprimé

Fabrication additive de petites turbines hors réseau Un projet intitulé "Une petite éolienne pour faire une grande différence", lancé par Kyle Bassett, a pour objectif d'installer de petites éoliennes imprimées en 3D à base de plastique dans des zones reculées avec un accès minimal à l'électricité. Le fondateur de ce projet a commencé par concevoir une turbine capable de stocker l'énergie générée dans des batteries à usage personnel [11].

Un modèle réduit de la turbine a été développé à l'aide d'une imprimante 3D Printerbot Simple Metal. Il comprenait les pales, les moyeux, les connecteurs de rotor, le cadre et les extrémités des pales, qui seraient les composants les plus coûteux s'ils étaient fabriqués selon des méthodes de fabrication traditionnelles [13].

Nacelles imprimées D'autres applications pourraient inclure la création de la nacelle. Les avantages de l'incorporation de la FA dans de telles structures sont similaires, par exemple des incitations économiques pour la production de moules, mais des défis sont également rencontrés, tels que la nécessité d'offrir une protection contre les intempéries, un refroidissement passif et une complexité géométrique élevée.

Le projet AMIE (Additive Manufacturing Integrated Energy) a cependant réussi à fabriquer la structure de la nacelle.

Réparation et remplacement de composants Même si l'essentiel de l'attention est porté sur la fabrication de nouveaux composants, la réparation des pièces qui doivent être améliorées ou remplacées en raison de l'usure doit également être envisagée. Pour cette application, les systèmes hybrides incorporant des processus tels que le dépôt d'énergie dirigée avec usinage soustractif pourraient éventuellement conduire à des tolérances appropriées et à une imitation de conception des composants remplacés [14].

Impression de composants à grande échelle Large Scale Metal AM ou Wire and Arc Additive Manufacture est une technologie émergente qui peut faciliter l'impression de pièces à grande échelle. Cela rend même possible la fabrication additive des moules de la nacelle et des pales, car elle n'a pas besoin d'une salle d'opération restreinte, ce qui permet, comme son nom l'indique, des applications à grande échelle.