Gulf Wind Technology가 3D 프린팅을 통해 풍력 에너지를
발전시키는 방법
현대식 풍차의 흰색 로터는 최면에 걸린 것처럼 천천히 회전하므로 풍력 터빈이 많은 전기를 생산한다는 사실을 믿기 어렵습니다. 그러나 그것이 그들의 유일한 목적이고 그들은 그것을 잘 수행합니다. 미국 에너지정보청(US Energy Information Administration)에 따르면 2020년에 설치된 일반적인 풍력 터빈은 46분 만에 평균 미국 가정에 한 달 동안 전력을 공급할 수 있는 충분한 전력을 생산합니다. 그러나 그러한 종류의 발전은 바람의 힘을 활용하는 터빈의 로터(블레이드 또는 에어포일) 없이는 불가능합니다.
날개 설계 과정
이러한 날개 모양의 광대한 부속 장치 뒤에 숨은 기술과 엔지니어링은 현재 풍력 터빈의 한계와 미래의 요구 사항을 해결하기 위한 로터 설계 솔루션 개발에 전념하는 회사 인 Gulf Wind Technology 의 전문 지식입니다. 그리고 다른 기술과 마찬가지로 발전은 현 상태를 개선하거나 문제를 해결하려는 욕구에서 비롯되는 경우가 많습니다.
예를 들어, 미국 걸프만 연안에서는 풍력 터빈 제조업체에 몇 가지 과제가 있습니다. 풍속은 매우 가벼운 것부터 허리케인 정도까지 매우 다양합니다. 솔루션을 찾기 위해 Gulf Wind Technology는 해당 지역에 관심을 갖고 있는 선도적인 에너지 회사와 제휴하여 풍력 터빈이 두 가지 조건 모두에서 효과적으로 작동할 수 있는 솔루션을 개발했습니다. 그 결과 협력을 통해 최첨단 기술 시설을 활용하는 미국에서 가장 발전된 로터 혁신 센터인 Gulf Wind Technology Accelerator가 형성되었습니다.
하지만 미식축구 경기장보다 더 긴 로터를 어떻게 설계, 검증 및 테스트합니까? 전산유체역학 분석은 이론적 모델을 제공하는 출발점을 제공합니다. 그러나 수학적 모델을 검증하려면 일반적으로 축소된 로터 모델을 사용한 풍동 테스트가 필요합니다. 이러한 모델은 일반적으로 CNC 가공되거나 금형 위에 탄소 섬유 레이업을 적용하여 형성됩니다. Gulf Wind Technology의 선임 제품 개발자인 Joe Lotuaco에 따르면 "문제 설명이 제공되면 이를 축소하고 조사한 후 솔루션을 개발합니다."
이 프로세스는 매우 간단해 보이지만 회사의 빡빡한 개발 일정 내에서 날개 설계의 한계를 뛰어넘는 또 다른 과제도 제시합니다. 전통적인 제조 방식으로 풍동 모델을 만드는 것은 빠른 프로세스가 아니며 설계를 빠르게 반복하는 능력을 방해합니다. 가능한 한 빨리 로터 설계를 최적화 하는 것이 목표인 경우 풍동 모델을 가공하거나 성형하는 것은 답이 아닙니다. 새로운 날개 제안과 테스트 사이의 시간이 수 개월이 걸릴 수 있기 때문입니다. Lotuaco는 "이것이 바로 우리가 자체적으로 허리케인에 견딜 수 있는 풍동을 갖고자 하는 주된 이유이자 자체 테스트 항목을 자체적으로 제조하려는 이유입니다"라고 말합니다. 따라서 Gulf Wind Technology의 경우 적층 제조를 통해 풍동 모델을 만드는 것이 올바른 접근 방식입니다.
3D 프린팅으로 풍동 모델을 제조하면 Gulf Wind Technology에 여러 가지 이점이 제공됩니다. 첫 번째는 설계를 반복하고 마무리하는 시간을 포함하여 설계 및 제작 주기를 단축하는 것입니다. 둘째, 3D 프린팅의 적층 특성은 전문 엔지니어에게 압력 탭을 모델에 직접 통합할 수 있는 고유한 이점을 제공합니다. 이러한 작은 포트는 에어포일 성능에 대한 필수 데이터를 제공하며 가공되거나 성형된 풍동 모델에 통합하기가 매우 어렵고 때로는 불가능에 가깝습니다.
"우리는 모든 압력 탭이 매니폴드로 연결되도록 테스트 기사의 내부 구조를 설계할 수 있었고, 이를 압력 스캐너에 꽂기만 하면 됩니다. 그러면 모델 간에 쉽게 바꿀 수 있습니다."라고 Lotuaco는 말합니다. "다중 섹션 모델을 사용하지 않고 전통적인 방식으로 어떻게 할 수 있었을지 모르겠습니다."
Lotuaco는 이러한 복잡한 설계에 대한 첨가제의 기능을 더욱 높이 평가하며 다음과 같이 덧붙입니다. “많은 기능을 통합하고 모델 설정 방법, 로드 셀에 장착 방법, 모델 설정 방법을 단순화할 수 있다는 점은 확실히 말할 수 있습니다. 이를 모델에 맞게 설계할 수 있다는 점은 게임의 판도를 크게 바꿔 놓았습니다. 이는 우리가 점점 더 많은 테스트를 수행해야 하는 지점까지 테스트 프로세스를 단순화합니다."
3D 프린팅의 또 다른 장점은 FDM ® 에서 분말층 융합, SLA(광조형) 에 이르기 까지 다양한 기술 선택과 호환 가능한 재료가 있다는 것입니다 . 풍동 적용 분야의 경우 사용 가능한 재료, 표면 마감 및 프린터 크기가 중요한 결정 기준 중 하나였습니다. Gulf Wind Technology는 미국 남동부의 3D 프린팅 서비스 제공업체인 Prototyping Solutions 팀과 함께 가능한 옵션을 검토한 후 Stratasys Neo ® 800 SL 프린터를 선택했습니다 . 특히, 소재의 성능은 규모를 Neo에 유리하게 만드는 데 도움이 되었습니다.
Lotuaco는 “우리가 만들어야 하는 부품의 크기와 재료의 강도 특성이 결정되었습니다.”라고 말합니다. “우리는 수석 엔지니어에게 사용 가능한 모든 재료에 대한 데이터 시트를 제공했고 그는 어떤 재료가 가능할지 분석했습니다. Somos® PerFORM Reflect™ 소재는 우리가 기대했던 하중을 충족하는 유일한 소재였습니다.”라고 Lotuaco는 말합니다.
PerFORM Reflect는 주로 강도, 강성 및 온도 저항으로 인해 풍동 테스트에 이상적입니다. 이러한 특성을 통해 날개 모델은 테스트 중에 경험하는 풍속과 그에 따른 하중 및 표면 온도를 견딜 수 있습니다. 그러나 탄력 있고 미끄러운 공기 역학적 표면을 제공하는 것 외에도 PerFORM Reflect는 테스트 준비 모델을 생성하는 주기 시간을 단축합니다. 주황색은 정확한 PIV(입자 이미징 속도계) 테스트에 필요한 빛 왜곡을 최소화하고 입자 반사를 최적화하는 올바른 마감을 제공합니다. 다른 재료는 인쇄 후 코팅해야 하므로 공정에 시간이 추가됩니다.
결과가 증명합니다
고객 작업에서 흔히 그렇듯이 일정이 촉박합니다. Gulf Wind Technology의 경우도 마찬가지입니다. 다행히도 Neo 800의 풍동 모델 제작 속도는 엔지니어가 프로젝트 마감일을 맞추는 데 도움이 됩니다. Lotuaco는 "CEO가 3D 프린팅에 대한 비즈니스 사례를 작성해 달라고 요청했을 때, 저는 그것을 CNC 가공 및 복합재 레이업의 기존 방법과 비교했습니다. 그리고 항상 시간적 요인으로 귀결되었습니다. NEO를 사용하여 정확히 동일한 에어포일, 동일한 지오메트리 및 크기를 만드는 것은 복합재 레이업 또는 CNC 가공에 비해 인쇄 속도가 2.5~5배 더 빨랐습니다."라고 설명합니다.
PerFORM Reflect의 내구성은 앞서 언급한 에어포일의 압력 탭에 사용되는 작은 공기 채널에서도 유리하게 작용했습니다. 작은 크기에도 불구하고 이 오리피스는 일체형 나사 연결부로 인쇄되었습니다. Lotuaco는 “벗겨지지 않고 적당한 양의 토크를 가할 수 있다는 사실이 이 소재의 독특한 점이라고 생각합니다.”라고 말합니다. 모델에서 바로 이러한 포트를 인쇄하는 기능도 프로세스 속도를 높입니다. Lotuaco는 이러한 압력 감지 채널을 전통적으로 만들어진 테스트 제품에 추가하면 리드 타임이 몇 배로 늘어날 것이라고 언급하면서 이러한 이점을 확인했습니다.
모든 산업에 적용되는 기술
이는 3D 프린팅이 풍력 터빈 산업에 어떤 이점을 제공하는지에 대한 이야기처럼 보일 수 있지만, 이것이 완전한 그림은 아닙니다. 더 깊은 수준에서는 Gulf Wind Technology와 같은 혁신적인 기업과 적층 가공 기술을 구현하는 기술 간의 결합에서 무엇이 가능한지 보여줍니다.
Joe Locuato는 Formula 1 경주 팀이 3D 프린팅된 풍동 모델을 사용하여 자동차의 모양을 최적화한다는 사실을 알게 되었을 때 동일한 프로세스를 사용하여 풍력 터빈 로터 설계를 개선하는 것과 연결했습니다. 그 결과 멕시코만에서 풍력 발전을 활용하기 위한 최적의 날개 형태를 개발하는 더 빠르고 효율적인 수단이 탄생했습니다.
적층 제조를 채택하는 대부분의 기업과 마찬가지로, 일단 그 기능을 파악하고 나면 새로운 응용 기회가 곳곳에서 나타나는 것처럼 보입니다. 그리고 이는 일반적으로 추가 기능의 확장으로 이어집니다. Gulf Wind Technology의 계획에 대해 질문을 받았을 때 Lotuaco는 몇 가지 가능성을 봅니다. “앞으로 우리가 살펴보고 있는 것 중 하나는 SL(광조형) 용량을 늘리는 것뿐만 아니라 현재 존재하는 다양한 적층 기술과 이를 미래에 다른 분야에 적용할 수 있는 방법을 살펴보는 것입니다. 우리는 필요할 것이라고 생각합니다.”라고 그는 말합니다. "우리는 금속 프린팅을 연구하고 있으며 ULTEM™과 같은 일부 고성능 엔지니어링 플라스틱을 프린팅하기 위해 Stratasys FDM ® 기계를 찾고 있습니다."라고 그는 덧붙입니다.
사용 가능한 적층 기술의 범위와 끊임없이 확장되는 재료 기능은 제조업체에게 사물의 설계, 테스트 및 생산 방식을 더 좋게 바꿀 수 있는 도구를 제공합니다. Gulf Wind Technology는 이를 인식하고 적층 기술을 활용하여 더 나은 풍력 터빈 로터 설계를 통해 보다 친환경적인 미래를 만들어 나가고 있습니다. 그러나 결국 이는 산업 분야에서 Gulf Wind Technology를 차별화하는 데 도움이 됩니다. 이는 모든 산업 분야의 거의 모든 기업이 부가물을 사용하여 장점을 활용하고 차별화할 수 있는 방법을 보여주는 완벽한 예입니다.
Joe Lotuaco는 이를 다음과 같이 요약합니다. “고객은 우리가 항상 해오던 방식으로 일을 하고 있지 않다는 것을 알고 있습니다. 그들이 우리 시설에 와서 우리가 자체 풍동과 이 (부가적) 실험실 설정을 갖고 있다는 것을 알게 되었을 때, 그것은 다른 누구와도 달랐습니다. 그래서 (부가적) 도구로 사용하는 것은 우리가 일반적으로 바람과 연관 시키지 않는 새로운 기술을 활용하고 사용하고 있음을 보여주는 것이라고 생각합니다.”
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[출처] https://www.stratasys.co.kr/resources/case-studies/gulf-wind-technology/
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Gulf Wind Technology가 3D 프린팅을 통해 풍력 에너지를
발전시키는 방법
현대식 풍차의 흰색 로터는 최면에 걸린 것처럼 천천히 회전하므로 풍력 터빈이 많은 전기를 생산한다는 사실을 믿기 어렵습니다. 그러나 그것이 그들의 유일한 목적이고 그들은 그것을 잘 수행합니다. 미국 에너지정보청(US Energy Information Administration)에 따르면 2020년에 설치된 일반적인 풍력 터빈은 46분 만에 평균 미국 가정에 한 달 동안 전력을 공급할 수 있는 충분한 전력을 생산합니다. 그러나 그러한 종류의 발전은 바람의 힘을 활용하는 터빈의 로터(블레이드 또는 에어포일) 없이는 불가능합니다.
날개 설계 과정
이러한 날개 모양의 광대한 부속 장치 뒤에 숨은 기술과 엔지니어링은 현재 풍력 터빈의 한계와 미래의 요구 사항을 해결하기 위한 로터 설계 솔루션 개발에 전념하는 회사 인 Gulf Wind Technology 의 전문 지식입니다. 그리고 다른 기술과 마찬가지로 발전은 현 상태를 개선하거나 문제를 해결하려는 욕구에서 비롯되는 경우가 많습니다.
예를 들어, 미국 걸프만 연안에서는 풍력 터빈 제조업체에 몇 가지 과제가 있습니다. 풍속은 매우 가벼운 것부터 허리케인 정도까지 매우 다양합니다. 솔루션을 찾기 위해 Gulf Wind Technology는 해당 지역에 관심을 갖고 있는 선도적인 에너지 회사와 제휴하여 풍력 터빈이 두 가지 조건 모두에서 효과적으로 작동할 수 있는 솔루션을 개발했습니다. 그 결과 협력을 통해 최첨단 기술 시설을 활용하는 미국에서 가장 발전된 로터 혁신 센터인 Gulf Wind Technology Accelerator가 형성되었습니다.
하지만 미식축구 경기장보다 더 긴 로터를 어떻게 설계, 검증 및 테스트합니까? 전산유체역학 분석은 이론적 모델을 제공하는 출발점을 제공합니다. 그러나 수학적 모델을 검증하려면 일반적으로 축소된 로터 모델을 사용한 풍동 테스트가 필요합니다. 이러한 모델은 일반적으로 CNC 가공되거나 금형 위에 탄소 섬유 레이업을 적용하여 형성됩니다. Gulf Wind Technology의 선임 제품 개발자인 Joe Lotuaco에 따르면 "문제 설명이 제공되면 이를 축소하고 조사한 후 솔루션을 개발합니다."
이 프로세스는 매우 간단해 보이지만 회사의 빡빡한 개발 일정 내에서 날개 설계의 한계를 뛰어넘는 또 다른 과제도 제시합니다. 전통적인 제조 방식으로 풍동 모델을 만드는 것은 빠른 프로세스가 아니며 설계를 빠르게 반복하는 능력을 방해합니다. 가능한 한 빨리 로터 설계를 최적화 하는 것이 목표인 경우 풍동 모델을 가공하거나 성형하는 것은 답이 아닙니다. 새로운 날개 제안과 테스트 사이의 시간이 수 개월이 걸릴 수 있기 때문입니다. Lotuaco는 "이것이 바로 우리가 자체적으로 허리케인에 견딜 수 있는 풍동을 갖고자 하는 주된 이유이자 자체 테스트 항목을 자체적으로 제조하려는 이유입니다"라고 말합니다. 따라서 Gulf Wind Technology의 경우 적층 제조를 통해 풍동 모델을 만드는 것이 올바른 접근 방식입니다.
3D 프린팅이 솔루션을 제공합니다
3D 프린팅으로 풍동 모델을 제조하면 Gulf Wind Technology에 여러 가지 이점이 제공됩니다. 첫 번째는 설계를 반복하고 마무리하는 시간을 포함하여 설계 및 제작 주기를 단축하는 것입니다. 둘째, 3D 프린팅의 적층 특성은 전문 엔지니어에게 압력 탭을 모델에 직접 통합할 수 있는 고유한 이점을 제공합니다. 이러한 작은 포트는 에어포일 성능에 대한 필수 데이터를 제공하며 가공되거나 성형된 풍동 모델에 통합하기가 매우 어렵고 때로는 불가능에 가깝습니다.
"우리는 모든 압력 탭이 매니폴드로 연결되도록 테스트 기사의 내부 구조를 설계할 수 있었고, 이를 압력 스캐너에 꽂기만 하면 됩니다. 그러면 모델 간에 쉽게 바꿀 수 있습니다."라고 Lotuaco는 말합니다. "다중 섹션 모델을 사용하지 않고 전통적인 방식으로 어떻게 할 수 있었을지 모르겠습니다."
Lotuaco는 이러한 복잡한 설계에 대한 첨가제의 기능을 더욱 높이 평가하며 다음과 같이 덧붙입니다. “많은 기능을 통합하고 모델 설정 방법, 로드 셀에 장착 방법, 모델 설정 방법을 단순화할 수 있다는 점은 확실히 말할 수 있습니다. 이를 모델에 맞게 설계할 수 있다는 점은 게임의 판도를 크게 바꿔 놓았습니다. 이는 우리가 점점 더 많은 테스트를 수행해야 하는 지점까지 테스트 프로세스를 단순화합니다."
3D 프린팅의 또 다른 장점은 FDM ® 에서 분말층 융합, SLA(광조형) 에 이르기 까지 다양한 기술 선택과 호환 가능한 재료가 있다는 것입니다 . 풍동 적용 분야의 경우 사용 가능한 재료, 표면 마감 및 프린터 크기가 중요한 결정 기준 중 하나였습니다. Gulf Wind Technology는 미국 남동부의 3D 프린팅 서비스 제공업체인 Prototyping Solutions 팀과 함께 가능한 옵션을 검토한 후 Stratasys Neo ® 800 SL 프린터를 선택했습니다 . 특히, 소재의 성능은 규모를 Neo에 유리하게 만드는 데 도움이 되었습니다.
Lotuaco는 “우리가 만들어야 하는 부품의 크기와 재료의 강도 특성이 결정되었습니다.”라고 말합니다. “우리는 수석 엔지니어에게 사용 가능한 모든 재료에 대한 데이터 시트를 제공했고 그는 어떤 재료가 가능할지 분석했습니다. Somos® PerFORM Reflect™ 소재는 우리가 기대했던 하중을 충족하는 유일한 소재였습니다.”라고 Lotuaco는 말합니다.
PerFORM Reflect는 주로 강도, 강성 및 온도 저항으로 인해 풍동 테스트에 이상적입니다. 이러한 특성을 통해 날개 모델은 테스트 중에 경험하는 풍속과 그에 따른 하중 및 표면 온도를 견딜 수 있습니다. 그러나 탄력 있고 미끄러운 공기 역학적 표면을 제공하는 것 외에도 PerFORM Reflect는 테스트 준비 모델을 생성하는 주기 시간을 단축합니다. 주황색은 정확한 PIV(입자 이미징 속도계) 테스트에 필요한 빛 왜곡을 최소화하고 입자 반사를 최적화하는 올바른 마감을 제공합니다. 다른 재료는 인쇄 후 코팅해야 하므로 공정에 시간이 추가됩니다.
결과가 증명합니다
고객 작업에서 흔히 그렇듯이 일정이 촉박합니다. Gulf Wind Technology의 경우도 마찬가지입니다. 다행히도 Neo 800의 풍동 모델 제작 속도는 엔지니어가 프로젝트 마감일을 맞추는 데 도움이 됩니다. Lotuaco는 "CEO가 3D 프린팅에 대한 비즈니스 사례를 작성해 달라고 요청했을 때, 저는 그것을 CNC 가공 및 복합재 레이업의 기존 방법과 비교했습니다. 그리고 항상 시간적 요인으로 귀결되었습니다. NEO를 사용하여 정확히 동일한 에어포일, 동일한 지오메트리 및 크기를 만드는 것은 복합재 레이업 또는 CNC 가공에 비해 인쇄 속도가 2.5~5배 더 빨랐습니다."라고 설명합니다.
PerFORM Reflect의 내구성은 앞서 언급한 에어포일의 압력 탭에 사용되는 작은 공기 채널에서도 유리하게 작용했습니다. 작은 크기에도 불구하고 이 오리피스는 일체형 나사 연결부로 인쇄되었습니다. Lotuaco는 “벗겨지지 않고 적당한 양의 토크를 가할 수 있다는 사실이 이 소재의 독특한 점이라고 생각합니다.”라고 말합니다. 모델에서 바로 이러한 포트를 인쇄하는 기능도 프로세스 속도를 높입니다. Lotuaco는 이러한 압력 감지 채널을 전통적으로 만들어진 테스트 제품에 추가하면 리드 타임이 몇 배로 늘어날 것이라고 언급하면서 이러한 이점을 확인했습니다.
모든 산업에 적용되는 기술
이는 3D 프린팅이 풍력 터빈 산업에 어떤 이점을 제공하는지에 대한 이야기처럼 보일 수 있지만, 이것이 완전한 그림은 아닙니다. 더 깊은 수준에서는 Gulf Wind Technology와 같은 혁신적인 기업과 적층 가공 기술을 구현하는 기술 간의 결합에서 무엇이 가능한지 보여줍니다.
Joe Locuato는 Formula 1 경주 팀이 3D 프린팅된 풍동 모델을 사용하여 자동차의 모양을 최적화한다는 사실을 알게 되었을 때 동일한 프로세스를 사용하여 풍력 터빈 로터 설계를 개선하는 것과 연결했습니다. 그 결과 멕시코만에서 풍력 발전을 활용하기 위한 최적의 날개 형태를 개발하는 더 빠르고 효율적인 수단이 탄생했습니다.
적층 제조를 채택하는 대부분의 기업과 마찬가지로, 일단 그 기능을 파악하고 나면 새로운 응용 기회가 곳곳에서 나타나는 것처럼 보입니다. 그리고 이는 일반적으로 추가 기능의 확장으로 이어집니다. Gulf Wind Technology의 계획에 대해 질문을 받았을 때 Lotuaco는 몇 가지 가능성을 봅니다. “앞으로 우리가 살펴보고 있는 것 중 하나는 SL(광조형) 용량을 늘리는 것뿐만 아니라 현재 존재하는 다양한 적층 기술과 이를 미래에 다른 분야에 적용할 수 있는 방법을 살펴보는 것입니다. 우리는 필요할 것이라고 생각합니다.”라고 그는 말합니다. "우리는 금속 프린팅을 연구하고 있으며 ULTEM™과 같은 일부 고성능 엔지니어링 플라스틱을 프린팅하기 위해 Stratasys FDM ® 기계를 찾고 있습니다."라고 그는 덧붙입니다.
사용 가능한 적층 기술의 범위와 끊임없이 확장되는 재료 기능은 제조업체에게 사물의 설계, 테스트 및 생산 방식을 더 좋게 바꿀 수 있는 도구를 제공합니다. Gulf Wind Technology는 이를 인식하고 적층 기술을 활용하여 더 나은 풍력 터빈 로터 설계를 통해 보다 친환경적인 미래를 만들어 나가고 있습니다. 그러나 결국 이는 산업 분야에서 Gulf Wind Technology를 차별화하는 데 도움이 됩니다. 이는 모든 산업 분야의 거의 모든 기업이 부가물을 사용하여 장점을 활용하고 차별화할 수 있는 방법을 보여주는 완벽한 예입니다.
Joe Lotuaco는 이를 다음과 같이 요약합니다. “고객은 우리가 항상 해오던 방식으로 일을 하고 있지 않다는 것을 알고 있습니다. 그들이 우리 시설에 와서 우리가 자체 풍동과 이 (부가적) 실험실 설정을 갖고 있다는 것을 알게 되었을 때, 그것은 다른 누구와도 달랐습니다. 그래서 (부가적) 도구로 사용하는 것은 우리가 일반적으로 바람과 연관 시키지 않는 새로운 기술을 활용하고 사용하고 있음을 보여주는 것이라고 생각합니다.”
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[출처] https://www.stratasys.co.kr/resources/case-studies/gulf-wind-technology/
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