大きな部品、大きなエネルギー目標

アディティブ マニュファクチャリング (AM) は、風力、原子力、水力発電設備用の非常に大型のコンポーネントの生産を促進する必要がある、米国のクリーン エネルギー部門に風力を加える可能性のある新しいアプローチを提供します。

積極的な再生可能エネルギー目標によりクリーン エネルギー市場は拡大していますが、現在、需要が国内の製造能力を上回っています。

米国は2050年までに電力需要の35％を風力エネルギーでまかなうことを目指しており、これは今日の風力発電の3.5倍以上に相当する。

この困難なサプライチェーンの課題に取り組むには、現在存在しない機能が必要であり、小型で複雑な部品に対して最もよく考えられている AM 技術が、これらの巨大な金属部品の米国製造の可能性を解き放つ鍵となる可能性があります。 これを風力タービンで実現するには、AM 金属の蒸着速度を高め、印刷材料のコストを削減するさらなる進歩が必要です。

10 トンを超える鋼鋳物などの工業規模の鋳物は、ローター ハブ、ベッド プレート、支持フレームなどの風力タービン部品の生産をスケールアップする際のネックとなります。 業界が洋上風力タービンへの拡大を続ける中、その規模は膨大であり、サイズと重量の両方が増大しています。

大型金属部品の砂型鋳造にかかる人件費を理由に、米国の製造業者は数年前から海外から部品を購入し始めた。

洋上風力発電に必要な大型部品を処理できる米国の鋳造工場は現在 1 社だけであり、部品を最終形状に機械加工する米国の能力は限られています。 現在、重要な大型金属部品の調達には 6 か月から 1 年以上のリードタイムがかかります。 海外からの輸送は、高価で時間がかかることに加えて、二酸化炭素排出量も大きくなります。 外国製部品への依存は、米国の風力エネルギーのサプライチェーンに単一障害点が発生する可能性も生み出します。

別の方法としては、これらの大型部品を積層造形し、コンピュータ化された製造ソフトウェアによって制御される自動工作機械を使用して仕上げるという方法があります。 その利点は明らかです。AM は従来の鋳造よりも設計の柔軟性と複雑さを実現し、3D プリンティングによって可能になるトポロジー最適化戦略により大幅な重量削減を実現できます。

多軸プリンタは部品を回転させてさまざまな部分を印刷し、さまざまな角度に到達できるため、これまで設計を制限していた重力歪みの問題を回避できます。 多軸の面外印刷と複数のロボット蒸着ヘッドを組み合わせることで、生成できる形状の範囲が劇的に拡大します。

従来の鋳造とは異なり、このタイプの 3D プリントでは、格子構造、統合された油圧ライン、電線経路などの複雑な内部フィーチャを作成できます。 また、同じオブジェクトに対して同時に作業する複数のシステム間で製造を分割することにより、印刷時間を短縮します。

オークリッジ国立研究所 (ORNL) のエネルギー省製造実証施設 (MDF) にある MedUSA と呼ばれる AM システムは、それぞれ 6 自由度の動きを持つ 3 台のロボットを利用しています。

MedUSA は、1 時間あたり 54 ポンドを超える金属を印刷したり、異なる材料を同時に印刷したりできます。 製造される部品は、従来の製造部品と比較して最小限のカスタム工具しか必要としませんが、通常は依然として仕上げが必要です。

MedUSA と連携して動作する大型工作機械が間もなく設置され、正確な設計公差に合うように印刷部品を仕上げます。 大型コンポーネントに対してこのような機能の組み合わせを提供できる施設は世界でもほとんどありません。 プロセスの多くが自動化されているため、人件費は従来の鋳造よりもはるかに低くなります。

「私たちの研究は、積層造形と金属仕上げステップをどのように組み合わせて効率的に連携させるかを検討しています」と ORNL 研究者のジョシュア・ヴォーン氏は述べています。 「最終用途向けに部品を簡単に仕上げるために部品を印刷するにはどうすればよいですか?また、それによってどのような利点が得られますか?」

いくつかのチームがこれらの質問に答えるために取り組んでおり、プロセスが複数の規模および異なる設定で動作できるようにする柔軟な制御システムを設計しています。 また、スケールアップが印刷物の特性にどのような影響を与えるかについても調査しています。 また、AM を最終形に近い形状に加工することと機械加工を組み合わせることで、従来の鋳造および完成部品と同じ品質のコンポーネントを製造できることを実証するための実験が進行中です。

他の研究者は、風力タービンのナセル内の構造梁間の耐荷重接合部として機能するスケルトン ノードなどの小さな金属部品を印刷しました。 新しい内部トラス構造により、同じ材料強度を維持しながら、ノードの質量と印刷時間の削減が約束されます。

AM 方式が外国の鋳造品と競合するには、コンポーネントの品質と価格の両方が同等でなければなりません。 AM のコストは、労働力と輸送の節約によってある程度相殺されます。 米国には AM 機器、金属粉末、印刷用ワイヤーの国内供給源があるものの、3D プリンティングで使用される金属は風力産業で使用される金属と比較して高価です。

このため、研究ではより低コストの材料を対象とする必要があります。 ORNL が研究している有望な新技術は、手頃な価格の市販の金属ストリップ原料を使用したエレクトロスラグ システムを使用して、大型の再生可能エネルギー鋳物を印刷することです。 このシステムは、プリント ヘッドあたり 1 時間あたり 110 ポンドに近い造形速度を達成できます。

金属鋳物以外の大型風力コンポーネントの場合、輸送は依然として課題ですが、現場での自動印刷によって相殺できます。 ORNL はゼネラル・エレクトリックと協力して、現場で大型コンクリート塔を 3D プリントする実現可能性を実証しました。 これらの構造に高さを追加すると、風へのアクセスが大きくなりますが、さらに大きなベースが必要になります。 これらの部品は重いだけでなく、橋の下やトンネルを通って移動するのが物流上困難です。 AM は、遠く離れた場所でもモバイルでオンサイトの可能性を提供します。

大型の重金属鋳物やコンクリート塔の AM 印刷は開発の初期段階にありますが、風力発電分野向けの軽量複合部品の作成ではさらなる進歩が見られました。 大型の真空注入金型は、タービンブレードを製造するために 5 年前に MDF で印刷されました。

より最近の技術革新では、AM を使用してワイヤーをポリマーマトリックスと共押出することで金型を改良しています。 ワイヤーに電流が流れると抵抗熱が発生し、ブレードモールド内で樹脂が硬化します。 このアプローチは、今日の生産プロセスにおける労働集約的なステップ、つまり長さ 160 フィートを超える金型の背面にパターンに織り込まれたワイヤーを手作業で巻き付けて取り付ける技術者のチームに取って代わる可能性があります。

AM はブレードの製造と設計の両方を改善するために使用できます。 新しいアプローチにより、一部のコンポーネントの構造性能が向上し、重量が軽減される可能性があります。 たとえば、ORNL は、小型風力ブレード用の 10 フィートのハニカム形状の内部構造の付加印刷を実証しました。

ORNL と GE のパートナーシップを通じて進行中の次世代の取り組みは、完全にリサイクル可能な熱可塑性複合材を使用した高度に自動化されたプロセスを作成することです。 熱可塑性複合スキンに結合した構造補強材を印刷して、長さ 40 フィートの風力タービンブレード先端を製造できます。 材料、速度、サイズは研究室で常に改良されています。

「私たちは、物事が正確で、速く、信頼できるものであることを望んでいます」と、ORNL の製造科学部門の産業連携リーダー、ダン・コフリン氏は述べています。

「私たちは AM を通常の箱から取り出し、プリンターより大きな部品を印刷できるものに変えています。」 ORNL の研究者は、材料、ソフトウェア、システムの統合機能を開発するための 100,000 平方フィート (9,290 平方メートル) の施設である MDF で、産業界のパートナーと協力してこれらの課題に取り組み続けます。 エネルギー省のユーザー施設は、製造イノベーションを開発から展開に移行するための出発点です。

風力用に開発された多くの新しい AM 技術、特にハイブリッド AM/鋳造および仕上げに関連する技術は、原子炉や水力発電所の大型金属部品にも適用できる可能性があります。 AM が気候変動の抑制に貢献しながら、より多くの製造業を米国に戻すこの歴史的な機会をつかむには、研究の進歩が不可欠です。

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