63、增材制造在风能系统及玄武岩 - 玻璃混合复合材料激光钻孔中的应用

增材制造在风能系统及玄武岩 - 玻璃混合复合材料激光钻孔中的应用

1. 增材制造概述

增材制造是一种将合适格式的CAD设计文件通过逐层沉积材料转化为最终产品的过程。最初，增材制造是以立体光刻工艺的形式由3D系统开发，并于1989年实现商业化。如今，它已广泛应用于几乎所有制造领域和各种材料。

1.1 增材制造的优势

增材制造具有可持续性、快速性、能够打印复杂零件、紧凑性以及可制作原型等优点，因此得到了大规模的发展。它从最初的原型制作发展到现在能够打印成品和进行零件修复。目前，在降低成本、提高速度、增加可打印材料种类以及保证最终产品质量等方面，都有大量的研究工作正在进行。此外，增材制造还具有环保、材料浪费少、碳排放低以及所需劳动力相对较少等优点。

1.2 增材制造的步骤

增材制造包括以下步骤：
1. 工艺规划
2. 准备3D CAD模型
3. 将文件转换为合适的格式
4. 将CAD文件切片成层
5. 将文件发送到机器
6. 机器设置
7. 物体打印
8. 取出物体部件
9. 后处理（如有需要）
10. 检查生产的部件
11. 接受（如果符合规格）或拒绝（如果不符合规格）

1.3 增材制造的分类

根据打印材料的形式，增材制造可分为四类：
1. 液态
2. 丝状/糊状
3. 粉末状
4. 固体片状

具体分类如下表所示：
| 材料形式 | 具体工艺 |
| — | — |
| 液态 | 立体光刻（SLA）、多射流建模（MJM）、快速成型（RFP） |
| 丝状/糊状 | 熔融沉积建模（FDM）、机器人铸造、自由形式制造（FEF） |
| 粉末状 | 选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）、3D打印（3DP）、激光金属沉积（LMD） |
| 固体片状 | 层压物体制造（LOM） |

1.4 增材制造的应用领域

增材制造在多个领域都有广泛的应用：
- 航空航天工业 ：由于小批量生产和轻量化的特点，航空航天工业非常适合采用增材制造。航空航天部件通常由特殊合金材料制成，这些材料生产耗时且困难，而增材制造可以轻松打印这些部件。例如，Concept laser使用Inconel 718材料和选择性激光熔化（SLM）制造涡轮叶片；Optomec使用激光工程净成型（LENS）开发卫星和喷气发动机部件；Thales Alenia Space Agency在2015年使用直接金属激光熔化（DMLM）开发了Koreasat 5A和7卫星。
- 生物医学领域 ：在增材制造中，生物相容性材料的研究正在广泛进行。由于能够根据客户需求进行大规模定制，增材制造在生物医学领域具有很大的吸引力。例如，Arcam使用EBM技术开发了肩部、髋部和髋臼杯的植入物；研究人员还开发了细胞操纵技术，如基于注射器的细胞沉积和使用喷墨打印机进行细胞打印；最近，特拉维夫大学的研究人员使用生物墨水打印机打印了个性化心脏。
- 汽车工业 ：传统生产方法需要大量的初始投资，而增材制造可以以较低的成本打印产品，并提供定制的自由。例如，大众汽车和Kinazo Design在2017年使用直接金属激光烧结（DMLS）方法制造了铝制的ENDURO e1电动自行车；2014年，第一辆Strati电动汽车在芝加哥国际制造技术展上亮相，它是使用橡树岭国家实验室（ORNL）的大面积增材制造（BAAM）设施打印的。
- 国防应用 ：增材制造在国防应用中具有巨大的潜力，因为它可以减轻武器的重量，并有助于现场制造和修复机器。美国国防高级研究计划局（DARPA）已经启动了“开放制造”计划，用于研究国防领域的增材制造技术；美国陆军计划使用MELD增材制造技术修复军用车辆。
- 能源生成系统 ：Bourell等人使用基于SLS的方法开发了用于燃料电池的石墨复合双极板。

2. 风能的重要性

可再生能源是一种清洁、可持续的能源来源，有助于减少碳排放和其他污染因素。因此，全球正逐渐转向可再生能源以满足能源需求。风能是可再生能源的重要组成部分，2018年全球风能装机容量达到597GW。有报告显示，到2023年，可再生能源在全球能源总需求中的占比将达到约30%。近年来，风能的增长率为10%。

3. 增材制造在风能系统中的应用

风能系统通过空气动力学设计的翼型或风力涡轮机叶片将风能转化为电能或机械能。由于小批量生产、能够打印复杂几何形状、缓解大型部件运输问题、初始投资相对较少、保障人员安全、可进行原型制作以及能够适应频繁的设计变化等特点，风能系统非常适合应用增材制造。

3.1 原型制作

2015年，Sean Poole和Russell Phillips使用FDM方法和PLA材料打印了各种涡轮叶片原型，以寻找小型水平轴风力涡轮机（HAWT）的最佳设计。他们在LabVIEW程序中设计涡轮叶片，使用Rhinoceros 3D软件创建3D CAD模型，并使用Repetier - Host软件将其转换为3D打印机适用的文件，最后在基于Prusa的自制3D打印机上进行打印。这些涡轮叶片在Kestrel的室外风洞中进行测试，平均风速约为9m/s，涡轮转速约为500rpm。结果表明，这种方法节省时间、成本效益高且足够准确。

3.2 材料性能分析

2019年，A. Ermakova、A. Mehmanparasta和S. Ganguly对用于海上风能系统的丝弧增材制造（WAAM）方法进行了评估，结果如下表所示：
| 序号 | 属性 | 材料 | 与锻造材料相比的值 |
| — | — | — | — |
| 1 | 屈服和极限抗拉强度 | 钢试样 | 相似 |
| 2 | 夏比冲击试验 | 钢试样 | 更高 |
| 3 | 断裂韧性 | Ti - 6Al - 4V试样 | 略高 |
| 4 | S - N曲线上的失效循环次数 | 304L不锈钢 | 更多 |

3.3 最终产品

桑迪亚国家实验室（SNL）为13.2MW容量的HAWT开发了一个100米全玻璃基线叶片，使用E - LT - 5500玻璃纤维和EP - 3环氧玻璃材料。分析表明，翼梁帽和后缘的应变在允许范围内，根据GL的建议，使用斜率参数估计疲劳寿命为1290年。报告还建议进一步改进翼型设计、减轻重量、增加接头以适应叶片的分段制造，并采用更好的颤振预测技术。

3.4 风力涡轮机模具

ORNL与TPI复合材料公司合作，使用BAAM系统制造风力涡轮机叶片模具。叶片长13米，有16个包含加热通道的部分。他们先创建CAD模型，然后进行打印，添加玻璃纤维并进行机械加工，接着安装加热通道和框架并进行组装。BAAM系统每小时能够打印约1000立方英寸，材料成本降低至（3 - 5美元/磅），具有高速度和低能量强度的特点。他们正在开发宽高增材制造（WHAM）系统，以直接通过增材制造打印最终的风力涡轮机叶片。

3.5 涡轮叶片部件的供应链

传统上，模具需要通过船舶或其他方式运输到其他地区，而现在只需传输CAD设计文件即可节省这些成本。叶片的损坏部分可以在现场用3D打印部件替换，而无需更换整个叶片。增材制造的模具在任何数量下都比传统制造的部件更经济，并且随着增材制造技术的成熟，成本还将进一步降低。与传统方法相比，增材制造生产既节省时间又节省成本。

3.6 风力涡轮机部件的修复

通常，风力涡轮机的修复方法包括在受损处粘贴补丁、使用微粒增强的微结构补丁、在修复过程中组装多元素补丁、快速固化粘合剂以及对涂层进行纳米改性等。Niklas Wahlström和Oscar Gabrielsson选择流体旋转接头进行修复应用，因为它的故障率较高。他们通过增材制造实现了44%的重量减轻，提高了使用寿命，并且便于组装。同时，存储和运输成本也显著降低，他们建议将增材制造用于备用零件。

4. 玄武岩 - 玻璃混合复合材料激光钻孔安全加工范围的确定

4.1 复合材料概述

复合材料如今被广泛使用，其制造取决于所需的性能。过去十年，人们对玄武岩和玻璃纤维的适用性进行了研究。玄武岩是一种天然火山岩，具有环保、耐高温和化学稳定性高等特点。玄武岩纤维可用于制造海洋设备、电路板以及需要高耐酸性的应用。然而，玄武岩纤维的拉伸机械强度较低，通过与E玻璃纤维混合可以提高其性能。研究表明，玄武岩 - 玻璃混合复合材料具有更好的适用性。

4.2 加工难题

传统加工方法在处理混合复合材料时会遇到一些问题，如分层、毛刺形成和纤维拔出等，这些问题会导致表面质量不佳。

4.3 确定安全加工范围的步骤

为了预测具有高孔圆度和最小热影响区（HAZ）的最佳工艺参数，需要进行以下步骤：
1. 制造新的玄武岩 - 玻璃基混合复合材料。
2. 对制造的复合材料进行激光钻孔。
3. 使用人工神经网络获得安全加工区域。
4. 进行验证实验以验证确定的安全加工区域。

通过以上研究可以看出，增材制造在风能系统以及复合材料加工等领域都具有广阔的应用前景，未来有望在降低成本、提高效率和产品质量等方面取得更大的进展。

5. 增材制造的发展趋势与挑战

5.1 发展趋势

增材制造技术正朝着多个方向快速发展。一方面，设备开发商致力于开发更经济、大容量的增材制造系统，例如ORNL和英格索尔机床公司正在研发宽高增材制造（WHAM）系统，其构建体积约为25英尺宽、20英尺高和100英尺长，这将使风能系统等大型部件的打印更加容易和经济。另一方面，增材制造的材料种类不断丰富，能够打印的材料从最初的几种发展到现在涵盖金属、陶瓷、聚合物等多种类型，并且在生物医学领域，生物相容性材料的研究也在不断深入，未来可能会实现更多复杂组织和器官的打印。

5.2 面临挑战

尽管增材制造具有诸多优势，但也面临一些挑战。在打印速度方面，虽然已经有了很大的提升，但对于大规模生产来说，仍然需要进一步提高速度以满足市场需求。在质量保证方面，由于每一个打印产品可能存在差异，如何确保产品的一致性和稳定性是一个亟待解决的问题。此外，增材制造的成本虽然在逐渐降低，但对于一些普通消费者来说，仍然相对较高，如何降低成本使更多人能够使用3D打印产品也是一个重要的挑战。

6. 玄武岩 - 玻璃混合复合材料激光钻孔的深入探讨

6.1 人工神经网络在确定安全加工范围中的作用

人工神经网络（ANN）在确定玄武岩 - 玻璃混合复合材料激光钻孔的安全加工范围中起到了关键作用。ANN可以通过对大量实验数据的学习和分析，建立起输入参数（如激光功率、脉冲频率等）与输出结果（如孔圆度、热影响区大小）之间的复杂关系模型。其工作流程如下：
1. 数据收集 ：收集在不同激光钻孔参数下，玄武岩 - 玻璃混合复合材料的加工数据，包括孔圆度、热影响区大小等。
2. 数据预处理 ：对收集到的数据进行清洗、归一化等处理，以提高ANN的训练效果。
3. 网络训练 ：选择合适的ANN结构和训练算法，将预处理后的数据输入到网络中进行训练。
4. 模型验证 ：使用未参与训练的数据对训练好的模型进行验证，评估模型的准确性和可靠性。
5. 安全加工范围确定 ：根据训练好的模型，预测不同参数组合下的加工结果，从而确定安全加工范围。

6.2 验证实验的重要性

验证实验是确保确定的安全加工范围准确性的重要步骤。通过在实际加工中按照确定的安全加工范围进行实验，并对加工结果进行检测和分析，可以验证人工神经网络模型的可靠性。如果验证实验结果与模型预测结果相符，说明确定的安全加工范围是可靠的；如果存在偏差，则需要对模型进行调整和优化，以提高安全加工范围的准确性。

6.3 激光钻孔参数对加工质量的影响

激光钻孔参数对玄武岩 - 玻璃混合复合材料的加工质量有着重要影响。例如，激光功率过高可能会导致热影响区增大，从而影响材料的性能；而激光功率过低则可能无法达到预期的钻孔效果。脉冲频率也会影响孔的圆度和表面质量，合适的脉冲频率可以使钻孔更加精确和光滑。以下是不同激光钻孔参数对加工质量影响的简单示意表格：
| 参数 | 对加工质量的影响 |
| — | — |
| 激光功率 | 过高：热影响区增大；过低：钻孔效果不佳 |
| 脉冲频率 | 不合适：影响孔圆度和表面质量 |
| 扫描速度 | 过快：钻孔不完整；过慢：热积累严重 |

7. 增材制造与激光钻孔技术的协同发展

7.1 技术互补性

增材制造和激光钻孔技术在某些应用场景中具有很强的互补性。在风能系统中，增材制造可以用于制造风力涡轮机的大型部件，如叶片、模具等；而激光钻孔技术则可以用于在这些部件上进行精确的钻孔操作，以满足安装和连接的需求。在生物医学领域，增材制造可以制造出复杂的生物组织模型，激光钻孔技术可以在这些模型上进行微小的孔洞加工，用于药物输送或细胞培养等。

7.2 协同发展的前景

随着技术的不断进步，增材制造和激光钻孔技术的协同发展将为制造业带来更多的创新和发展机遇。未来，可能会出现集成增材制造和激光钻孔功能的一体化设备，实现从部件制造到精细加工的一站式服务。这将大大提高生产效率，降低生产成本，推动制造业向智能化、高效化方向发展。

7.3 未来研究方向

为了实现增材制造和激光钻孔技术的更好协同发展，未来需要在以下几个方面进行深入研究：
- 材料兼容性研究 ：研究不同材料在增材制造和激光钻孔过程中的性能变化，以确保两种技术能够在同一材料上实现最佳的加工效果。
- 工艺优化研究 ：通过实验和模拟，优化增材制造和激光钻孔的工艺参数，提高加工质量和效率。
- 设备集成研究 ：开发集成增材制造和激光钻孔功能的一体化设备，解决设备集成过程中的技术难题。

8. 总结

增材制造技术凭借其可持续性、环保性、可定制性等优势，在多个领域得到了广泛应用，尤其是在风能系统中，为解决部件运输、复杂几何形状制造等问题提供了有效的解决方案。同时，在玄武岩 - 玻璃混合复合材料激光钻孔中，通过人工神经网络确定安全加工范围，有助于提高加工质量和效率。增材制造和激光钻孔技术的协同发展将为制造业带来新的机遇和挑战，未来需要在技术创新、工艺优化和设备集成等方面不断努力，以推动制造业的转型升级。

以下是增材制造在风能系统及复合材料加工中的应用流程mermaid流程图：

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通过以上对增材制造和激光钻孔技术的全面介绍，我们可以看到这两项技术在现代制造业中具有重要的地位和广阔的发展前景。无论是在能源领域还是材料加工领域，它们都将为推动行业的发展做出重要贡献。