康考迪亞大學的研究人員開發出一種新方法，旨在製造小型風力發電機，這將使其更輕、更便宜及更易於構建。他們最近的研究描述了一種 4D 打印技術，能將平坦的碳纖維面板轉變為垂直軸風力發電機的曲面葉片，而無需複雜的模具。該項目由博士生 Emad Fakhimi 和康考迪亞複合材料中心的 Suong Van Hoa 教授領導。他們的方法可能使屋頂和城市風力發電機的葉片生產變得更加容易，並且提升其性能。
新設計方法消除了對複雜模具的需求。由於垂直軸風力發電機在城市中越來越普遍，它們在變化的風中表現良好，且易於安裝在建築物上。然而，製造其曲面葉片仍然面臨挑戰。傳統生產方法使用專門的成型工藝及定製模具來達到所需的形狀。這些模具使生產成本增加，所需時間延長，並且為葉片增加了額外的重量。為瞭解決這些問題，康考迪亞團隊開發了一種新的「逆向」設計流程。他們不是從碳纖維佈局開始，而是先確定所需的葉片形狀，然後反向推導出如何安排和定位碳纖維層，以便在製造過程中能夠形成正確的形狀。
康考迪亞大學的新方法將改變小型風力發電機的生產方式
該新方法使用 4D 打印技術，意味著材料可以在製作後改變形狀。團隊從平坦的碳纖維或環氧樹脂複合材料片開始。經過固化和冷卻後，這些片材自動彎曲成所需的曲面形狀。這是因為複合材料中的不同層設計了不同的性質。通過提前規劃這些層，團隊能夠製造出不需要額外成型步驟的風力發電機葉片。簡化的生產方法消除了對重型模具的需求，同時保持了風力發電機所需的精確葉片形狀。
測試顯示，最終製成的複合材料葉片在形狀上與商業鋁製葉片非常相似。其最大優勢來自於其重量。這些複合材料葉片比類似的鋁葉片輕 80%，使其更易於製造和安裝。實驗室測試還顯示出更佳的風力發電機性能。使用複合材料葉片的風力發電機旋轉速度超過了鋁葉片，這表明輕量化設計能夠在相似條件下產生更多能量。
研究人員認為，這種製造方法可以降低小型風力發電機的生產成本，幫助更多人使用輕便的可再生能源技術。由於這種方法使用簡單的製造工藝和複合材料，因此也可以應用於其他需要曲面輕量部件的工程項目。除了可再生能源，這種逆向設計方法還能幫助工程師用更少的步驟製造複雜的複合材料部件，使用更少的材料並降低成本。隨著越來越多行業尋求更輕、更高效的結構，這一新過程可能成為傳統模具方法的實用替代方案。
該研究已發表於《聚合物複合材料》期刊。