歐洲ORGANIC項(xiàng)目采用AI與大幅面3D打印增強(qiáng)渦輪葉片制造工藝

2025年9月16日，南極熊獲悉，由西班牙AIMEN技術(shù)中心牽頭協(xié)調(diào)的歐盟“ORGANIC”項(xiàng)目取得重要進(jìn)展。隨著歐洲對(duì)更可持續(xù)、更高效的能源解決方案的需求日益增長(zhǎng)，該項(xiàng)目正致力于突破風(fēng)電制造產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，旨在開(kāi)發(fā)出更大規(guī)模、更高性能、可回收利用且具備工業(yè)級(jí)可靠性的新一代風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。

△ORGANIC項(xiàng)目，共有來(lái)自八個(gè)歐洲國(guó)家的13個(gè)合作伙伴

這個(gè)項(xiàng)目已獲得歐盟“地平線歐洲”（Horizon Europe）計(jì)劃資金支持，匯聚來(lái)自八個(gè)歐洲國(guó)家的13家頂尖科研與工業(yè)機(jī)構(gòu)，共同構(gòu)建跨學(xué)科研發(fā)團(tuán)隊(duì)。項(xiàng)目核心創(chuàng)新點(diǎn)包括將生物基環(huán)保材料、生成式設(shè)計(jì)技術(shù)、人工智能方法與大幅面增材制造工藝進(jìn)行深度融合，以期實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片制造的全流程技術(shù)革新，助推歐洲風(fēng)電高端制造業(yè)向綠色、智能與可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。

項(xiàng)目由Horizon Europe框架資助，匯集了多元化的財(cái)團(tuán)，包括Asociación de Investigación Metalúrgica del Noroeste（西班牙）、Aeroblade（西班牙）、Instituto Tecnológico del Embalaje、Transporte y Logística（西班牙）、Fundación Cartif（西班牙）、EIT Manufacturing Central GGMBH（德國(guó)）、ICONIQ Innovation（英國(guó)）、10XL BV（荷蘭）、Addcomposites Oy（芬蘭）、Tampereen Korkeakoulusatio SR（芬蘭）、Ethnicon Metsovion Polytechnion（希臘）、Core Innovation and Technology OE（希臘）、Netcompany（盧森堡）和Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana（瑞士）。

△ORGANIC項(xiàng)目融合了生物基材料、生成式設(shè)計(jì)和人工智能技術(shù)

重新思考風(fēng)能增材制造

傳統(tǒng)的增材制造通常能耗高，難以規(guī)?；a(chǎn)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片等大型部件，而且可回收性有限。盡管仿生3D打印技術(shù)已在研究中得到廣泛探索，但大多數(shù)應(yīng)用仍處于小規(guī)模階段。ORGANIC旨在解決這些挑戰(zhàn)。

在材料方面，該項(xiàng)目驗(yàn)證了生物基、完全可回收復(fù)合材料作為傳統(tǒng)聚合物凈零排放替代品的可行性。人工智能驅(qū)動(dòng)的生成方法創(chuàng)造出超越傳統(tǒng)晶格設(shè)計(jì)的仿生結(jié)構(gòu)，而配備原位智能控制的大型增材制造平臺(tái)則可實(shí)時(shí)優(yōu)化制造過(guò)程。Gentelligence框架能夠捕捉并利用工藝-結(jié)構(gòu)-屬性-性能方面的知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)周期的持續(xù)學(xué)習(xí)和改進(jìn)。

這些方法旨在制造具有高結(jié)構(gòu)效率、抗疲勞性和尺寸精度的渦輪葉片。預(yù)期效益包括：提高一次性打印成功率、減少材料浪費(fèi)、在工業(yè)相關(guān)環(huán)境（TRL6）演示中提升機(jī)械可靠性，以及采用可回收利用和降低二氧化碳排放的循環(huán)材料策略。

ORGANIC項(xiàng)目協(xié)調(diào)員、人工智能和數(shù)據(jù)分析研究員Andrea Fernández Martínez解釋道：“通過(guò)將設(shè)計(jì)、材料和過(guò)程智能相結(jié)合，ORGANIC超越了仿生學(xué)，成為真正的生物智能系統(tǒng)——具有適應(yīng)性、不斷發(fā)展，并能夠?yàn)榭沙掷m(xù)能源應(yīng)用提供高質(zhì)量的組件。”

△ORGANIC項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)

生物基材料和生成設(shè)計(jì)

ORGANIC的核心創(chuàng)新在于，用通過(guò)大幅面增材制造技術(shù)成型為晶格結(jié)構(gòu)的生物基熱塑性復(fù)合材料取代傳統(tǒng)的芯材（例如 PET、PVC 和輕木）。Fernández 解釋說(shuō)，之前的研究表明，纖維增強(qiáng)熱塑性晶格的剪切強(qiáng)度可以達(dá)到甚至超過(guò)輕木，同時(shí)提供更好的剛度重量比和更高的損傷容限。

雖然具體的數(shù)值閾值仍在確定中，但材料的選擇需要在機(jī)械性能、熱性能、環(huán)境性能以及可回收性和生命周期影響之間取得平衡。然而，工業(yè)化應(yīng)用仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵S多生物基復(fù)合材料在機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和纖維相容性方面仍處于早期階段。

ORGANIC通過(guò)將詳細(xì)的材料表征與生成式仿生設(shè)計(jì)工作流程和AI 持的流程監(jiān)控（包括基于 LSTM的控制系統(tǒng)）相結(jié)合來(lái)解決這一問(wèn)題，從而確保可靠、高性能的材料-設(shè)計(jì)-制造鏈。標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械測(cè)試、與傳統(tǒng)材料的基準(zhǔn)測(cè)試以及在AIMEN的開(kāi)放試驗(yàn)線和10XL設(shè)施演示器上的驗(yàn)證，將確保在工業(yè)條件下的性能。

△AIMEN技術(shù)中心推動(dòng)歐洲3D打印相關(guān)發(fā)展

硬件創(chuàng)新：ORGANIC FGF打印頭

復(fù)合材料增材制造研究員Ander Reizábal López-Para博士強(qiáng)調(diào)，采用高性能或生物基復(fù)合材料以每小時(shí)數(shù)公斤的速度生產(chǎn)大型部件，會(huì)顯著改變材料特性，并對(duì)工藝可靠性造成壓力。對(duì)于ORGANIC而言，實(shí)現(xiàn)“一次成功”的生產(chǎn)不僅令人向往，更是至關(guān)重要：每個(gè)大型部件都必須在第一次嘗試時(shí)就正確打印，以避免時(shí)間、能源和材料的浪費(fèi)。

ORGANIC FGF打印頭正是為了解決這一問(wèn)題。它基于顆粒擠出系統(tǒng)，融合了先進(jìn)的硬件、傳感和控制技術(shù)，能夠針對(duì)薄弱區(qū)域進(jìn)行可變長(zhǎng)度的纖維增強(qiáng)，并采用自適應(yīng)溫度控制，實(shí)現(xiàn)快速、節(jié)能的層間粘合。嵌入式壓力和溫度傳感器、用于熱監(jiān)控的紅外攝像頭以及用于檢測(cè)層間質(zhì)量的輪廓儀可提供連續(xù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。Self-X控制框架使系統(tǒng)能夠始終在人工監(jiān)督下進(jìn)行自我監(jiān)控、優(yōu)化和自動(dòng)糾正問(wèn)題。

在項(xiàng)目第一階段，團(tuán)隊(duì)通過(guò)部署多種傳感技術(shù)，全面收集制造過(guò)程數(shù)據(jù)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Reizábal表示：“可靠性是ORGANIC的核心目標(biāo)。由于以往在大規(guī)模傳感與自動(dòng)控制領(lǐng)域的數(shù)據(jù)積累不足，我們采取了分階段實(shí)施的策略。” AIMEN激光應(yīng)用中心在試點(diǎn)階段取得的成果，將為第二代打印頭的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵依據(jù)，以確保具備更高的穩(wěn)健性、可靠性，并滿足工業(yè)化大規(guī)模部署的要求。

△風(fēng)機(jī)葉片幾何尺寸縮放圖

人工智能、數(shù)字孿生和持續(xù)優(yōu)化

ORGANIC采用分層人工智能系統(tǒng)，結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL)和認(rèn)知預(yù)測(cè)控制，持續(xù)優(yōu)化增材制造 流程。打印前的強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL)代理會(huì)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和可持續(xù)性KPI（例如能耗和構(gòu)建時(shí)間）選擇配置。打印過(guò)程中，校準(zhǔn)強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL)代理會(huì)分析傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)模擬進(jìn)行微調(diào)，從而提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。打印后，長(zhǎng)期強(qiáng)化學(xué)習(xí)(RL)循環(huán)會(huì)評(píng)估零件質(zhì)量（孔隙率、尺寸精度和機(jī)械性能），并提出優(yōu)化設(shè)置，供工程師驗(yàn)證并重新集成到系統(tǒng)中。同時(shí)，專(zhuān)門(mén)的人工智能驅(qū)動(dòng)認(rèn)知控制器將跟蹤實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)流程偏差，從而采取糾正措施。

研究人員表示：“在連續(xù)的周期中，這種多源集成將實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)、更好的過(guò)程控制和更智能的設(shè)計(jì)選擇，不斷提高制造過(guò)程的可靠性和各代風(fēng)力渦輪機(jī)葉片部件的結(jié)構(gòu)性能?！?br />
主要挑戰(zhàn)包括有限的實(shí)際過(guò)程數(shù)據(jù)、與各種仿真工具的互操作性以及實(shí)時(shí)部署的復(fù)雜性。ORGANIC通過(guò)在AIMEN的開(kāi)放試驗(yàn)線上收集多源數(shù)據(jù)、在Gentelligence數(shù)字框架內(nèi)采用模塊化方法（由資產(chǎn)管理外殼(AAS)和基于本體的流程知識(shí)支持）、以及在擴(kuò)展到10XL大型演示器之前使用安全措施進(jìn)行離線測(cè)試來(lái)解決這些問(wèn)題。

從風(fēng)力渦輪機(jī)到跨行業(yè)潛力

Fernández解釋說(shuō)，盡管不同行業(yè)對(duì)機(jī)械、熱和耐久性的要求各不相同，但ORGANIC的生物智能增材制造方法具有跨行業(yè)應(yīng)用的潛力。ORGANIC通過(guò)在CAx設(shè)計(jì)工具中集成標(biāo)準(zhǔn)化材料表征協(xié)議和結(jié)構(gòu)化屬性數(shù)據(jù)集來(lái)解決這一問(wèn)題。生成式仿生晶格策略具有可擴(kuò)展性，但必須滿足特定行業(yè)的負(fù)載、幾何形狀和性能目標(biāo)，而CAx工具的工藝-結(jié)構(gòu)-屬性-性能關(guān)系則確保了可追溯性。

大幅面增材制造技術(shù)（包括混合擠壓、多材料沉積和原位監(jiān)測(cè)）采用模塊化設(shè)計(jì)，并在AIMEN的開(kāi)放式試驗(yàn)線上進(jìn)行分步驗(yàn)證，支持3D打印在新工業(yè)環(huán)境中的可擴(kuò)展部署。

項(xiàng)目第一年側(cè)重于基礎(chǔ)成果而非全尺寸原型。項(xiàng)目里程碑包括一份關(guān)于生物智能增材制造的白皮書(shū)，預(yù)計(jì)將于2025年11月發(fā)布，其中將整合材料、設(shè)計(jì)、制造和人工智能控制等領(lǐng)域的方法。到年底，制造要求和數(shù)字架構(gòu)將最終確定。Fernández說(shuō)：“從那時(shí)起，ORGANIC系統(tǒng)將逐步推進(jìn)alpha、beta和最終版本，直至項(xiàng)目結(jié)束時(shí)在完整的演示器中完成。”

總的來(lái)說(shuō)，ORGANIC項(xiàng)目充分展示了生物基智能增材制造技術(shù)在大型高性能渦輪葉片制造中的應(yīng)用潛力。該項(xiàng)目深度融合人工智能、生成式設(shè)計(jì)與可回收材料，為推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)綠色升級(jí)提供了切實(shí)路徑。