Este artigo explica como a impressão 3D ajuda as empresas de energia renovável a produzir peças funcionais com mais rapidez, ao mesmo tempo que ganham maior liberdade de design e menor investimento inicial.
Mudanças de projeto em equipamentos de energia são frequentes. Uma carcaça de inversor solar testada neste trimestre poderá precisar de ajustes estruturais no próximo trimestre. A tecnologia de monitoramento das pás das turbinas eólicas continua melhorando e os designs dos suportes dos sensores são atualizados junto com ela. Com a fabricação tradicional, cada mudança de projeto exige retrabalho de moldes e reconfiguração de ferramentas, muitas vezes atrasando o trabalho em semanas.
Após adotar a impressão 3D, você só precisa modificar o arquivo CAD. As peças revisadas podem estar disponíveis em poucos dias. Sem alterações de molde, sem quantidade mínima de pedido. Quando as equipes de engenharia precisam iterar protótipos rapidamente ou lançar produtos de próxima geração com dimensões atualizadas, essa vantagem de velocidade se traduz diretamente em um progresso mais rápido do projeto.
Os equipamentos de energia renovável estão se tornando mais compactos e os requisitos de desempenho também estão aumentando. Os engenheiros estão buscando:
Essas geometrias são difíceis de conseguir com moldagem por injeção ou usinagem CNC, e algumas simplesmente não podem ser feitas. A manufatura aditiva pode formar cavidades internas, estruturas treliçadas e canais curvos de uma só vez, permitindo que a geometria da peça atenda verdadeiramente às necessidades de desempenho.
As linhas de produção tradicionais dependem de ferramentas fixas e produção em massa. Eles se adequam a produtos de consumo padronizados. Mas os projetos de energia renovável envolvem dezenas de especificações de componentes. Eles cobrem muitas áreas como energia solar, energia eólica, baterias e energia de hidrogênio.
A impressão 3D é uma plataforma de fabricação digital. Os designs são armazenados como arquivos digitais. Pode produzir sob demanda e a quantidade se ajusta ao projeto. Esta flexibilidade adapta-se às características da cadeia de fornecimento de energia renovável, porque as especificações do projeto variam de acordo com o local, o clima e a geração do equipamento.
As usinas de energia solar precisam de muitas peças auxiliares além das próprias células. Os suportes de montagem fixam os módulos em ângulos precisos. Os clipes de gerenciamento de cabos organizam a fiação em grandes arrays. O suporte do sensor monta o equipamento de monitoramento de posição na altura e orientação corretas.
Essas peças precisam resistir a ambientes externos, corresponder a seções transversais de perfis específicos e, às vezes, exigem ângulos personalizados para instalações em telhados ou no solo. A impressão 3D pode produzir suportes de montagem, acessórios de posicionamento e componentes de roteamento de cabos de acordo com o layout específico de cada projeto.
Inversores solares e equipamentos eletrônicos de potência geram muito calor durante a operação. O gerenciamento térmico eficaz depende de dutos de ar, carcaças de ventiladores e canais de resfriamento bem projetados. As passagens internas do fluxo de ar dessas peças são, em sua maioria, estruturas curvas ou ramificadas, muito adequadas para fabricação aditiva.
Os dutos de ar impressos possuem paredes internas lisas e baixa resistência ao fluxo de ar. As coberturas do ventilador podem integrar a estrutura de montagem diretamente na caixa. As peças do canal de resfriamento podem ser projetadas para se ajustarem ao formato dos componentes geradores de calor.
As estações de energia fotovoltaica precisam implantar uma grande quantidade de hardware de monitoramento. As caixas dos sensores protegem os equipamentos de medição contra poeira, chuva e radiação ultravioleta. As tampas da caixa de junção protegem os pontos de conexão elétrica. Os gabinetes dos medidores garantem que os coletores de dados e módulos de comunicação operem com segurança em campo.
A impressão 3D pode produzir essas peças de proteção em pequenos lotes e personalizá-las de acordo com modelos de sensores e posições de instalação. Quando as dimensões do invólucro precisarem ser alteradas após a troca para novos sensores, basta modificar o arquivo e reimprimir. Não há necessidade de fazer um novo molde.
As turbinas eólicas modernas possuem dezenas de sensores que medem vibração, temperatura, ângulo de inclinação e velocidade do vento. Cada sensor precisa de um invólucro ou suporte montado em uma posição específica dentro da nacela, ao longo da torre ou na raiz da pá.
As caixas e suportes dos sensores impressos em 3D podem caber em superfícies curvas ou espaços estreitos dentro da nacela. As tampas protetoras protegem os sensores contra umidade e impacto mecânico durante a operação.
Dentro da nacela da turbina eólica, cabos e linhas hidráulicas passam por equipamentos rotativos. O espaço é muito apertado. Guias de cabos, suportes de roteamento e tampas protetoras mantêm essas linhas organizadas e fixas. Eles evitam vibrações e desgaste.
As peças de gerenciamento de cabos impressas em 3D podem corresponder com precisão à estrutura interna da nacela. Capas protetoras personalizadas podem proteger conectores e pontos de fiação sensíveis. Diferentes modelos de turbinas eólicas possuem diferentes layouts internos. Essas peças geralmente são feitas apenas em pequenos lotes.
Os trabalhadores da manutenção de energia eólica trabalham em altura, em espaços estreitos. O tempo está apertado. Dispositivos de inspeção personalizados ajudam os técnicos a posicionar as ferramentas com precisão ao verificar lâminas ou caixas de engrenagens. Os auxiliares de instalação facilitam o alinhamento das peças de reposição.
Ferramentas de manutenção impressas em 3D e acessórios de reparo temporários podem efetivamente reduzir o tempo de cada tarefa de manutenção. Se for necessário ajuste após o primeiro uso do aparelho em campo, basta modificar o arquivo e reimprimi-lo. Você não precisa substituir todo o conjunto de ferramentas.
Em sistemas de armazenamento de energia comerciais e em escala de rede, as baterias geram calor durante a carga e a descarga. Os dutos de ar de resfriamento, os canais de fluxo de ar e as carcaças dos ventiladores são responsáveis por direcionar o ar ou líquido ao redor dos módulos das células para manter temperaturas operacionais seguras.
Essas peças de resfriamento geralmente possuem geometria interna complexa. Canais de fluxo de ar ramificados distribuem o meio de resfriamento uniformemente por toda a bateria. As carcaças dos ventiladores integram orelhas de montagem, lábios de vedação e interfaces de dutos em uma peça impressa. Essas estruturas podem ser feitas com impressão 3D, sem investir em moldes caros de múltiplas peças.
Os sistemas de armazenamento de energia integram um grande número de células, placas BMS, chicotes elétricos e conectores em gabinetes compactos. Peças de suporte internas fixam as posições dos módulos celulares. As estruturas de roteamento dos fios mantêm os cabos de alta tensão separados e protegidos.
Caixas impressas e suportes internos podem aproveitar melhor o espaço dentro do gabinete de baterias. Se as especificações da célula ou o layout do BMS mudarem no produto da próxima geração, você poderá modificar o modelo CAD para criar novos colchetes. Você não precisa descartar os moldes originais.
Durante o desenvolvimento da bateria e a inspeção de qualidade, os dispositivos de teste mantêm células ou módulos em posições precisas para testes de desempenho elétrico e térmico. Os suportes de sensores posicionam termopares e sondas de tensão em pontos de medição designados na bateria.
Os acessórios de teste impressos em 3D são rápidos de produzir e fáceis de modificar. Após as alterações no plano de teste ou nas especificações da célula, você poderá obter novos acessórios dentro de alguns dias. O laboratório de testes pode se adaptar ao ritmo de desenvolvimento mais rapidamente, sem ser prejudicado pelas ferramentas.
A indústria da energia do hidrogénio está em fase de I&D e piloto. As plataformas de teste para células de combustível, eletrolisadores e dispositivos de armazenamento de hidrogênio precisam de um grande número de acessórios personalizados, suportes de sensores e suportes de montagem de equipamentos.
A impressão 3D pode produzir caixas de proteção de sensores, suportes de montagem de instrumentos de medição e empilhar acessórios de alinhamento de montagem de acordo com as necessidades específicas da bancada de testes.
As células de combustível e os eletrolisadores têm requisitos rigorosos para campos de fluxo interno e estruturas de gerenciamento térmico. Peças experimentais de canais de fluxo, protótipos de coletores de resfriamento e peças de teste de distribuição de gás podem ser feitas rapidamente com fabricação aditiva e usadas diretamente para avaliação e verificação. A geometria do canal de fluxo ainda está sendo ajustada constantemente. Várias opções de design podem ser testadas em pouco tempo. Você não precisa investir em ferramentas de usinagem para cada projeto.
Os sistemas de energia de hidrogénio envolvem gás de alta pressão, altas temperaturas e requisitos de segurança rigorosos. As peças que entram em contato direto com hidrogênio de alta pressão e as peças com funções de vedação críticas para a segurança devem usar materiais certificados e processos de fabricação comprovados.
A impressão 3D é adequada para peças auxiliares, peças estruturais e peças de teste em sistemas de hidrogênio. Para peças que suportam pressão ou peças críticas para vedação, você precisa avaliar se o material e o processo de impressão escolhidos atendem aos padrões industriais aplicáveis e aos requisitos de certificação.
PA12 (Nylon 12) é um dos materiais mais utilizados em peças impressas em 3D para energia renovável. Possui boa resistência mecânica, boa resistência química e estabilidade térmica, com resistência à temperatura de cerca de 170°C. É comumente usado em caixas, suportes, dutos de ar, guias de cabos e tampas protetoras.
O náilon reforçado com fibra de vidro proporciona maior rigidez aos suportes estruturais. O TPU é adequado para juntas e suportes de amortecimento de vibrações. Outros polímeros de engenharia como o PA11 expandem ainda mais as opções de materiais.
A impressão 3D em resina fotopolímera (SLA/DLP) pode produzir peças com detalhes finos de superfície e alta precisão dimensional. No campo das energias renováveis, as peças de resina são utilizadas principalmente para:
Verificando o design da aparência dos alojamentos antes da fabricação do molde
Verificando o ajuste de montagem de gabinetes multicomponentes
Fazendo caixas de medidores finos e tampas protetoras de conectores
Protótipos de suportes de sensores com geometrias complexas
Os materiais de resina são adequados para avaliar a aparência, o ajuste e a qualidade da superfície nos estágios iniciais. Os tipos de resina atualmente disponíveis já incluem resinas de grau de engenharia com maior tenacidade e resistência ao calor.
Quando as peças precisam suportar altas cargas mecânicas, altas temperaturas ou ambientes corrosivos, a impressão 3D de metal é uma alternativa à usinagem. Suportes estruturais e dissipadores de calor em liga de alumínio combinam leveza com vantagens de resistência. O aço inoxidável é adequado para ambientes corrosivos ou temperaturas operacionais mais altas.
No campo das energias renováveis, as peças impressas em metal podem ser usadas para trocadores de calor, suportes de carga e peças expostas a ambientes externos ou industriais agressivos.
Peças mais leves reduzem os custos de envio, simplificam a instalação e melhoram o desempenho das peças móveis. A impressão 3D suporta otimização de topologia. Remove material em áreas de baixo estresse, mantendo a estrutura intacta.
Em sistemas de rastreamento solar, suportes mais leves também reduzem a carga no motor de acionamento. Em turbinas eólicas, caixas de sensores e guias de cabos mais leves reduzem o acúmulo de peso dentro da nacela. Menos peso significa menores custos de instalação e melhor eficiência do sistema.
Uma montagem tradicional pode ser composta de diversas peças estampadas ou usinadas separadas, depois unidas com parafusos e adesivos. A impressão 3D pode combiná-los em uma peça impressa, com encaixes instantâneos, abas de montagem e canais de cabos integrados.
Menos peças, menos fixadores e menos superfícies de junta significam menos pontos potenciais de falha. A montagem torna-se mais confiável, as horas de trabalho diminuem e a cadeia de fornecimento de um único componente fica mais curta.
A manufatura aditiva pode criar estruturas internas que a moldagem e a usinagem consideram difíceis de alcançar:
Canais de resfriamento internos que correspondem precisamente à distribuição de calor dos componentes eletrônicos
Estruturas treliçadas leves que mantêm a resistência enquanto reduzem o uso de material em 40% a 60%
Caminhos de fluxo de ar otimizados com transições curvas suaves que reduzem a queda de pressão
Essas estruturas internas proporcionam melhor desempenho térmico, menor peso e melhor eficiência do fluxo de ar. Os métodos tradicionais de fabricação têm dificuldade em atender a todos esses requisitos de uma só vez.
As instalações de energias renováveis necessitam frequentemente de funcionar durante 20 a 30 anos. Durante tanto tempo, o fabricante original pode interromper a produção, alterar as linhas de produtos ou até fechar as portas. Não é incomum esperar meses por um suporte ou carcaça de reposição para um inversor que está em uso há mais de dez anos.
Ao usar digitalização 3D ou modelagem CAD para recriar peças antigas, a fabricação aditiva pode produzir peças de reposição funcionais. O tempo de inatividade é reduzido e os equipamentos antigos não precisam mais depender da cadeia de fornecimento do fabricante original.
As centrais fotovoltaicas em desertos, as instalações eólicas offshore e as estações de armazenamento de energia em áreas remotas estão muitas vezes longe dos principais centros de produção. Enviar uma pequena peça personalizada para esses locais leva muito tempo e custa muito em logística.
A impressão 3D pode produzir sob demanda, próximo ao ponto de uso. Os arquivos digitais da peça são enviados para um ponto de serviço de impressão próximo ao local do projeto e a peça pode ser fabricada em poucos dias. O tempo de inatividade do equipamento é bastante reduzido e os projetos de energia remotos podem continuar em execução.
Equipamentos de energia renovável funcionam em ambientes bastante extremos. As peças de energia solar estão expostas à radiação ultravioleta de longa duração e também devem suportar altas temperaturas acima de 60°C. As peças de energia eólica precisam lidar com umidade, névoa salina e temperaturas abaixo de zero. Diferentes partes enfrentam ambientes diferentes. O material de impressão também deve ser selecionado de acordo com o ambiente específico em que a peça se encontra.
Esclareça a carga, o impacto e o nível de desgaste que cada peça precisa suportar. Uma guia de cabo dentro de um gabinete de bateria tem requisitos mecânicos completamente diferentes de um suporte estrutural em um rastreador solar. Antes de escolher um processo de impressão, você também precisa determinar os requisitos específicos de tolerância dimensional, rugosidade superficial e resistência à fadiga na aplicação.
A indústria de energia renovável possui padrões rígidos de retardamento de chama, isolamento elétrico e certificação de materiais. Se uma peça fizer parte de um conjunto elétrico ou funcionar perto de um sistema de alta tensão, será necessário confirmar se o material de impressão 3D escolhido atende aos requisitos de classificação de segurança aplicáveis, como UL 94, classificações de proteção IP e conformidade com RoHS.
Somente compreendendo claramente o ambiente de uso, os requisitos mecânicos e os requisitos regulamentares você poderá fazer a escolha correta do processo e do material.
Fator | Impressão 3D | Fabricação Tradicional |
Complexidade do projeto | Tem capacidade de fazer cavidades internas, treliças e formas naturais | Limitado pela construção e ângulos do dispositivo |
Integração de peças | Combina peças em uma única operação de fabricação | Considera a fabricação separada para cada componente |
Estruturas leves | Usa otimização de topologia e preenchimento de rede | A fabricação é limitada pela disponibilidade técnica |
Requisito de ferramentas | Não requer modelos ou acessórios | Precisa de moldes, matrizes ou arranjos CNC dedicados |
Mudanças de design | Apenas altera o documento CAD e imprime novamente | A fabricação leva várias semanas |
Produção em alto volume | Cria uma produção eficaz em um pequeno número | Funciona melhor com lotes grandes (mais de 10.000 itens) |
Componentes específicos | Ideal para baixos volumes de produção e itens complexos | Mais eficaz para peças feitas em massa |
Xunjie tem mais de 10 anos de experiência em impressão 3D, com capacidades de produção em SLA, SLS, MJF e SLM. Trabalhamos com empresas de energia renovável para produzir peças funcionais como gabinetes, suportes, dutos de ar, estruturas de refrigeração e ferramentas de manutenção.
Se você precisa de protótipos rápidos durante o desenvolvimento de produtos ou de peças de uso final para implantação no local, nossa equipe de engenharia pode fornecer suporte. Bem-vindo a entrar em contato conosco para discutir suas necessidades de aplicação e obter um orçamento.
1. As peças impressas em 3D podem ser adequadas para novos equipamentos de energia externos que possuem altos requisitos de material?
Depende do material e do pós-processamento. Materiais como ASA, PC e náilon reforçado com fibra de carbono têm boa resistência aos raios UV, resistência à temperatura e resistência. Eles são adequados para caixas, suportes e capas protetoras. Para impressão em metal, liga de alumínio e aço inoxidável podem ser usados diretamente em conexões de suporte de carga ou áreas de alta temperatura. O segredo é aplicar revestimento ou vedação antes do uso externo de longo prazo. Isso pode melhorar ainda mais a resistência às intempéries.
2、 As pás das turbinas eólicas podem ser feitas com impressão 3D?
Lâminas grandes em tamanho real ainda não são muito realistas no momento. Isto é limitado principalmente pelo tamanho, resistência e custo. Mas a impressão 3D já tem muitas aplicações no desenvolvimento de lâminas. Por exemplo, impressão de modelos em escala para testes em túnel de vento, fabricação de inserções parciais de moldes, geradores de vórtice e winglets nas pontas das pás. Essas peças possuem pequenas quantidades e formatos especiais. A impressão 3D é muito adequada para eles.
3. Como o custo das peças impressas em 3D se compara ao custo das peças usinadas em pequenos lotes?
Quando a quantidade é inferior a 500 peças, a impressão 3D economiza o investimento em molde necessário para moldagem por injeção ou fundição sob pressão. Portanto, tem uma vantagem de custo na produção experimental de protótipos, produção de pequenos lotes e peças personalizadas para projetos.
4. A impressão 3D pode combinar várias peças em uma, como um bloco hidráulico ou coletor de fluido?
Claro. Os blocos hidráulicos tradicionais requerem muitos furos que se cruzam no interior. Eles são difíceis de usinar e propensos a vazamentos. A impressão 3D pode projetar canais conformados suaves e integrar múltiplas portas e sedes de válvula em uma única peça. Isto reduz pontos de solda e anéis de vedação, proporcionando maior confiabilidade geral. É usado em sistemas de controle de inclinação de turbinas eólicas e circuitos hidráulicos solares térmicos. Peso e volume também podem ser reduzidos.
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