2026年7月17日，来自康考迪亚大学的研究人员开发了一种复合材料4D打印（4DPC）方法，可利用扁平的碳纤维复合材料面板生产垂直轴风力涡轮机（VAWT）的弧形叶片，无需通常用于成型的复杂模具。同时，研究人员还开发一种新型逆向设计方法，可将平面碳纤维板固化成曲面形状，从而降低小型涡轮机制造的成本和复杂性。
△垂直轴风力涡轮机案例
相关研究成果以题为“Development of Vertical WindTurbine Blades
Using 4D Printing of Composites”的论文发表在《聚合物复合材料》杂志上。这项技术由博士生Emad
Fakhimi和康考迪亚复合材料中心教授Suong Van Hoa共同开发。
风力涡轮机是绿色能源的来源之一。大多数风力涡轮机为水平轴式，叶片很长，可以产生大量能量。另一种风力涡轮机是垂直轴风力涡轮机（VAWT），它越来越多地安装在建筑物和城市环境中，但其中弧形叶片的传统生产方式依赖于复杂的模具，需要采用专门的成型工艺。康考迪亚大学表示，这些模具会增加成品叶片的成本、制造时间和重量。
复合材料4D打印（4DPC）是一种无需复杂几何形状模具的复合材料制造技术，它只需要一个平面模具。因此，它也被称为无模复合材料制造，于2017年提出。
铺层设计的逆向方法
为了避免使用模具，研究人员构建了一种他们称之为首创的“逆向”设计流程。传统的复合材料设计始于选定的铺层方式，即碳纤维层的排列和方向，然后观察最终形成的形状。Fakhimi 和 Van Hoa 的方法则反其道而行之，从所需的刀片几何形状出发，反向计算以确定需要如何排列和定向才能生产出所需的层。在制造过程中，平面的碳纤维或环氧树脂层压板被固化，然后在冷却过程中变形为目标曲面形状，这是由于各层材料性能的差异造成的。
更轻、旋转速度更快的刀片状叶片
研究人员报告称，最终制成的复合材料叶片与商用铝制涡轮叶片的形状非常接近，但重量却减轻了约80%。实验室测试表明，配备复合材料叶片的涡轮机比配备铝制叶片的涡轮机转速更高。
△单个叶片的尺寸
研究人员表示，这种方法可以降低制造成本，并拓宽轻质复合材料结构在可再生能源系统和其他工程应用中的使用范围。
来源：南极熊
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