CDT El uso creciente de la impresión 3D se expande por diversos sectores y cada vez son más las empresas que reconocen sus ventajas en los procesos de fabricación. El sector energético no es una excepción.
Fuente: 3D Natives
Según un informe de Additive Manufacturing Research, se espera que el mercado de la impresión 3D en este sector alcance los 17.000 millones de euros en 2032. Igualmente, un estudio minucioso titulado Additive Manufacturing in the Energy Sector: market Analysis & Forecast, explora las oportunidades y el potencial de la fabricación aditiva, especialmente en energías renovables como la eólica. Se enfatiza el papel crucial de la impresión 3D en el desarrollo y mantenimiento de equipos esenciales para la energía eólica, lo que subraya la necesidad de explotar todo su potencial.
Los actores del mercado reconocen cada vez más las ventajas de la impresión 3D en el campo de las energías renovables, en particular la eólica. Esta tecnología ofrece la posibilidad de reducir los costes de producción permitiendo personalizar el tamaño en función de las necesidades específicas de cada lugar. Asimismo, son bien conocidos los retos que plantean los métodos de fabricación tradicionales de aerogeneradores: las palas suelen estar hechas de plástico reforzado con fibra de vidrio, un material difícil de reciclar.
Los procesos de impresión 3D y materiales utilizados
Entre las tecnologías de impresión 3D más utilizadas en el sector de la energía eólica destaca la técnica de impresión FDM. Este método se elige con frecuencia para la fabricación de prototipos y piezas. Otro método muy utilizado es el SLS, que utiliza un láser para fundir materiales en polvo como el nylon, antes de solidificarlos para formar una estructura. Entre las ventajas de este método cabe citar la estabilidad de los prototipos y de los productos finales, así como la producción de componentes de energía eólica, particularmente indicada para piezas pequeñas. Asimismo, la técnica Binder Jetting o inyección de aglutinante también se utiliza con frecuencia.
El proceso DLMS ya se ha puesto en práctica en el sector de la energía eólica para imprimir en 3D piezas metálicas muy precisas y complejas, ya sean prototipos, componentes finales o reparaciones de aerogeneradores. Empresas como Siemens Gamesa Renewable Energy y Vestas ya la han aprovechado para fabricar y optimizar sus turbinas. Por otra parte, la industria eólica también utiliza con frecuencia materiales como el PLA y el ABS en la fabricación de prototipos y carcasas para aerogeneradores. El nylon, la poliamida, los polvos metálicos, las fibras de vidrio y de carbono, así como las resinas, también se utilizan en la impresión 3D para responder a las necesidades específicas del sector.
Las ventajas y las limitaciones de la impresión 3D en la energía eólica
Como ya se ha mencionado, la impresión 3D en la energía eólica es especialmente adaptada para la producción de prototipos. Esta eficacia se deriva de la capacidad de la tecnología para producir piezas de forma económica y rápida, fomentando así la innovación en el sector. Además, la impresión 3D ofrece la posibilidad de diseñar formas más complejas que las obtenidas con métodos tradicionales, mejorando el rendimiento de las palas del rotor, como ilustra un proyecto de investigación llevado a cabo en la Universidad Técnica de Berlín. En el marco de este estudio, los investigadores consiguieron imprimir un aerogenerador entero en una sola pieza utilizando la impresora 3D BigRep.
También es posible diseñar piezas de aerogeneradores a medida para los clientes, con el fin de ajustarlas con precisión a la ubicación de los aerogeneradores. aerogeneradores. El uso de la impresión 3D ofrece la posibilidad de producir componentes directamente in situ, y proporciona una mayor flexibilidad para ajustar continuamente moldes y componentes. Este enfoque reduce el coste logístico de las piezas moldeadas, lo que facilita el suministro de nuevos moldes impresos de forma rápida y económica. En Estados Unidos, las limitaciones de transporte imponen límites de longitud de 53 a 62 metros para las palas de los rotores debido a la infraestructura ferroviaria y de carreteras actual. Es por ello que la impresión 3D, posiblemente combinada con la robótica, tiene el un potencial considerable para permitir la fabricación in situ, sobre todo, para la producción de equipos más grandes y potentes.
Dados los largos plazos de entrega asociados a los métodos de fabricación tradicionales, la impresión 3D también ofrece la posibilidad de conseguir piezas de repuesto más rápidamente y bajo demanda. Esto reduce los plazos de pedido y fabricación, eliminando la necesidad de mantener constantemente altos niveles de existencias. Asimismo, la tecnología crea estructuras ligeras y complejas para los aerogeneradores, ayudando a reducir su peso total.
Aunque la impresión 3D ofrezca ventajas en términos de reducción del coste de producción de prototipos, las inversiones iniciales en impresoras 3D y los materiales necesarios, siguen siendo muy elevadas, lo que puede acarrear otros costes al utilizar esta tecnología. Además, a menudo es difícil cumplir con los estrictos requisitos de las normas y certificaciones a la hora de implementar la impresión 3D, lo que también conlleva costes adicionales. Igualmente, las limitaciones persisten en cuanto al tamaño de las piezas de aerogeneradores muy grandes. Dado que la experiencia de la impresión 3D en el sector de la energía eólica aún es relativamente limitada, queda por ver si las piezas impresas en 3D presentan características fiables y estables a lo largo del tiempo.
Aplicaciones de la impresión 3D en la fabricación de aerogeneradores
La impresión 3D desempeña un papel crucial, que se aplica en diversos aspectos a lo largo de todo el proceso de fabricación de aerogeneradores. En particular, la fabricación aditiva se utiliza para producir componentes y moldes, así como en la creación de prototipos de nuevos componentes. Este método permite crear de manera rápida prototipos que se someten a pruebas y mejoras antes de llegar a la producción en serie. Por ejemplo, el grupo estadounidense General Electric (GE) comenzó a imprimir en 3D grandes componentes de aerogeneradores en 2019 y en 2021 abrió una planta de impresión 3D en Estados Unidos, dedicada a la investigación. GE también ha hecho uso de la impresión 3D para fabricar palas de turbina más ligeras para sus motores GE9X.
Otra empresa que aprovecha la impresión 3D en este sector es la startup Orbital Composites que se especializa en turbinas, palas de aerogeneradores, cimientos y torres, con ayuda de la fabricación aditiva in situ, de alto rendimiento y a gran escala. En el marco de este proyecto, Orbital Composites pretende demostrar y validar el uso de sus robots de impresión 3D para fabricar palas de aerogeneradores. La empresa también aspira a desarrollar sistemas capaces de imprimir en 3D palas de aerogeneradores de más de 100 metros de longitud, así como turbinas eólicas marinas directamente a bordo de buques en alta mar. Para lograr estos objetivos, la startup colabora con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) y la Universidad de Maine, cuyas investigaciones se analizarán más adelante. Orbital Composites ya ha recibido 4 millones de dólares de ayuda financiera del Department of Energy (DOE) y de la Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE), ambos organismos de EE.UU.
En el pasado, la empresa española Soleolico utilizó la impresión 3D para diseñar el primer aerogenerador del mundo equipado con paneles fotovoltaicos. Esta instalación se distingue por su capacidad de producir energía eólica y solar, a la vez que absorbe CO2. Para este proyecto innovador, Soleolico ha trabajado con un proceso de impresión 3D de Pure Tech, que ha requerido 10 años de desarrollo y que concluyó en octubre de 2023.
La investigación sobre la impresión 3D aplicada a la energía eólica
En varias universidades de todo el mundo los investigadores están explorando las aplicaciones de la impresión 3D en el campo de la energía eólica, tal como el proyecto de la Universidad Técnica de Berlín titulado «3D Printing Powers Wind Turbine Research». Dirigido por Immanuel Dorn, ingeniero técnico y Sascha Krumbein, estudiante de máster en ingeniería que también es instructor en el proyecto, el equipo se centra en la optimización de las palas del rotor mediante impresión 3D. Su trabajo incluye probar diferentes configuraciones de palas en un gran túnel de viento, donde evalúan el rendimiento de los rotores sometidos a múltiples iteraciones de producción con diversos materiales impresos en 3D. Los investigadores comenzaron con el diseño aerodinámico, luego pasaron al diseño estructural, que implicaba el relleno y la elección de materiales, lo que requirió varios ciclos de iteración para ajustar y adaptar los materiales utilizados. Finalmente, el equipo realizó pruebas aerodinámicas «en condiciones reales» en su túnel de viento, incluidas pruebas de choque, para evaluar el rendimiento de las palas.
Por otra parte, muchas universidades estadounidenses también centran sus investigaciones en este sector. Por ejemplo, la Universidad Purdue de Indiana, en colaboración con RCAM Technologies y la Floating Wind Technology Company, trabaja en el desarrollo de anclajes y estructuras de hormigón para turbinas más rentables, esto mientras se explora la fabricación aditiva de herramientas para las palas de rotor de aerogeneradores. El proyecto, que se lleva a cabo en colaboración con distintas empresas y cuenta con una financiación de 2,8 millones de dólares del Department of Energy (DOE), pretende utilizar la impresión 3D para acelerar la fabricación de herramientas y reducir el coste de piezas finales.
Las subvenciones para la impresión 3D en la industria eólica
En Alemania, existen varios proyectos ya han recibido financiación, en particular del Ministerio Federal de Economía y Energía (BMWi), como el proyecto «Advance Casting Cell» (ACC). La iniciativa toma su nombre de la impresora 3D de gran formato utilizada para fabricar moldes de arena, en este proyecto también participa el Instituto Fraunhofer (IGCV) como colaborador asociado, tanto para los aspectos técnicos de los materiales como para la supervisión digital de los procesos. La empresa bávara de impresión 3D Voxeljet también participa en el proyecto. En 2022 GE Renewable Energy, fabricante de turbinas eólicas terrestres, anunció su intención de probar los moldes impresos en 3D para la fundición metálica de varios componentes clave de la góndola del aerogenerador Haliade-X de GE. Con una impresora 3D se produjeron moldes para piezas metálicas de la turbina de hasta 60 toneladas y 9,5 metros de diámetro. El objetivo de este proyecto es reducir el tiempo de producción de los moldes para los aerogeneradores marinos de diez a, al menos, dos semanas, todo esto mientras se disminuían los costes de transporte fabricando los moldes in situ. Este planteamiento también reduce la huella de carbono de la producción.
Otro apoyo en el campo de la impresión 3D aplicada a la energía eólica proviene del IFAF, que actualmente respalda el proyecto Winddruck, cuya finalización está prevista para septiembre de 2024. El proyecto tiene como objetivo hacer que las palas eólicas que se fabrican a gran escala sean más económicas y sigan un proceso sostenible gracias a la impresión 3D. Además, el proyecto explora la posibilidad de fabricar en el futuro palas de aerogeneradores con impresión 3D a partir de materiales renovables y reciclables.
El uso de la impresión 3D en el sector de la energía eólica toma está cobrando cada vez más importancia y muestra un gran potencial de innovación y mejora de la eficiencia. Las empresas e institutos de investigación de todo el mundo reconocen las ventajas de esta tecnología e invierten en el desarrollo y la aplicación de métodos de fabricación aditiva. Las numerosas aplicaciones de la impresión 3D se extienden desde la producción de prototipos y componentes hasta la fabricación de aerogeneradores enteros. Estos proporcionan una flexibilidad y adaptabilidad que los métodos de fabricación tradicionales no pueden ofrecer. Aunque aún existen desafíos, el camino está abierto para que la impresión 3D en la energía eólica transforme de forma sostenible el sector y mejore se adentre en el campo de la energía eólica transformando de manera sostenible al sector y facilite el acceso a energías limpias.
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