工程師將風(fēng)力渦輪機(jī)廢料回收成堅(jiān)固的新型纖維增強(qiáng)性3D打印材料

魔猴君  行業(yè)資訊   1249天前

加拿大麥吉爾大學(xué)和瑞爾森大學(xué)的工程師已成功將破壞環(huán)境的風(fēng)力渦輪機(jī)廢料轉(zhuǎn)化為堅(jiān)固的新型 PLA 3D 打印材料。使用機(jī)械研磨和熱解的混合物，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠?qū)F(xiàn)已報(bào)廢的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片回收成細(xì)纖維粉末。在總結(jié)測(cè)試中，葉片的殘余物不僅顯示出比原始玻璃纖維更高的強(qiáng)度和剛度，而且一旦與 PLA 集成，它們就證明能夠產(chǎn)生堅(jiān)固的纖維增強(qiáng) 3D 打印部件。

該團(tuán)隊(duì)在他們的論文中說(shuō)：“我們提出了一種程序，將報(bào)廢風(fēng)力渦輪機(jī)葉片中的回收玻璃纖維加入純熱塑性 FDM 材料中。我們的回收系統(tǒng)預(yù)計(jì)將重復(fù)使用大量渦輪葉片廢料，從而大大減少危險(xiǎn)和有害葉片材料的垃圾填埋場(chǎng)。在長(zhǎng)絲中加入回收的玻璃纖維將提高所生產(chǎn)組件的可靠性和強(qiáng)度，從而導(dǎo)致 FDM 3D 打印的更廣泛應(yīng)用。”

研究人員對(duì)未來(lái)三十年渦輪機(jī)廢物增長(zhǎng)的估計(jì)。圖片來(lái)自聚合物復(fù)合材料雜志。

一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的高強(qiáng)度和剛度重量比使其成為生產(chǎn)低碳足跡的航空航天、軍事和汽車(chē)零件的理想選擇。風(fēng)能領(lǐng)域也是如此，玻璃纖維通常用于增強(qiáng)復(fù)合材料渦輪葉片，將自然風(fēng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為環(huán)保的電力來(lái)源。然而，盡管使用風(fēng)能而不是化石燃料來(lái)產(chǎn)生能源具有明顯的生態(tài)效益，但鮮為人知的是，報(bào)廢的渦輪葉片往往通過(guò)垃圾填埋或焚燒處理。鑒于此類(lèi)刀片含有無(wú)機(jī)成分，填埋它們會(huì)導(dǎo)致釋放有害氣體，而燃燒它們對(duì)地球母親的危害較小，但也會(huì)產(chǎn)生大量灰燼。

過(guò)去，研究人員研究了回收渦輪葉片廢料的機(jī)械、熱和化學(xué)策略，但迄今為止沒(méi)有一個(gè)被證明是可行的。在這些技術(shù)中，機(jī)械方法被認(rèn)為是最成熟的，但它們通常會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的粘合纖維，而熱解往往會(huì)導(dǎo)致炭化，而基于化學(xué)的方法已變得難以規(guī)模化。

盡管存在繼續(xù)抑制再生纖維可用性的問(wèn)題，但加拿大團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，未來(lái) 30 年渦輪機(jī)技術(shù)的進(jìn)步將導(dǎo)致大量浪費(fèi)，并且葉片的建造將繼續(xù)不可持續(xù)，他們表示需要一種新的設(shè)計(jì)實(shí)踐將重復(fù)使用的材料轉(zhuǎn)化為有效的商業(yè)機(jī)會(huì)。

來(lái)自該團(tuán)隊(duì)熱解增強(qiáng)試樣斷裂表面的 SEM 圖像。圖片來(lái)自聚合物復(fù)合材料雜志。

據(jù)中國(guó)3D打印網(wǎng)了解，改善回收渦輪機(jī)部件的商業(yè)案例和可印刷性的最佳方法是將任何所得纖維與 PLA 細(xì)絲集成，以用于廣受歡迎的 FDM 機(jī)器。為了驗(yàn)證他們的假設(shè)，該團(tuán)隊(duì)從更大的刀片上切下部分，然后將它們送入錘式研磨機(jī)，將它們打碎成樹(shù)脂粉末。過(guò)篩后，刀片顆粒與熔融 PLA 顆粒以 5-10% 的濃度混合并擠出兩次，得到直徑為 1.75 mm 的長(zhǎng)絲。為了評(píng)估他們的材料的性能，研究人員隨后使用 Prusa i3Mk2S 系統(tǒng)將其 3D 打印成十個(gè)樣品，對(duì)熱解纖維和傳統(tǒng) PLA 也進(jìn)行了同樣的處理。有趣的是，該團(tuán)隊(duì)的分析表明，他們的新材料比熱解材料表現(xiàn)出更高的拉伸強(qiáng)度，但剛度卻相反，后者的剛度增加了 70%。兩種長(zhǎng)絲在這些方面也優(yōu)于原始原料，但與普通 PLA 相比，10% 增強(qiáng)的樣品的延展性和強(qiáng)度顯著降低。

該團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，他們的樣品由于纖維長(zhǎng)度短而表現(xiàn)出相對(duì)較高的脆性，并且通過(guò)進(jìn)一步的研究，有可能生產(chǎn)出能夠“獲得增強(qiáng)型 3D 打印樣品的拉伸性能”的更長(zhǎng)纖維材料，并解決風(fēng)能環(huán)保證書(shū)的更廣泛缺陷。該團(tuán)隊(duì)在論文中總結(jié)道：“與原始纖維相比，兩種再生纖維，即經(jīng)過(guò)研磨和熱解的纖維，都表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度和剛度值。這表明從報(bào)廢的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片中再利用回收的玻璃纖維不僅是一種鼓勵(lì)環(huán)境的解決方案，而且還是由原始玻璃纖維增強(qiáng)的 FDM 3D 打印原料的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。”

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