材料

工程师将风力涡轮机废物回收成强硬的新型纤维增强PLA

加拿大的工程师麦吉尔大学瑞尔森大学已设法将环境损坏的风力涡轮机废物变成强大的新PLA 3D打印材料。

利用机械研磨和热解的混合物,该团队已经能够回收一个现已停用的风力涡轮机叶片成细纤维粉末。在总结性测试中,叶片的残余不仅显示出比原始玻璃纤维更高的强度和刚度,而且一旦与PLA集成,它们被证明能够产生坚固的纤维增强3D打印部件。

“我们提出了一种将再生玻璃纤维从寿命终端的风力涡轮机叶片掺入纯热塑性FDM材料中的程序,”纸上的团队说。“我们的回收系统预计将重复使用大量的涡轮机叶片浪费,导致危险和有害刀片材料的垃圾填埋场重大减少。”

“在纤维中加入回收的玻璃纤维将增加所生产部件的可靠性和强度,从而使FDM 3D打印得到更广泛的应用。”

研究人员在未来三十年的涡轮垃圾增长估计。
研究人员对未来30年涡轮机废弃物增长的估计。图像通过聚合物复合材料杂志。

风力涡轮机浪费?

通常,复合材料的高强度和刚度与重量比使其成为生产低碳足迹航空航天,军事和汽车部件的理想选择。这也是风能扇区内的情况,其中玻璃纤维通常部署到加强基于复合的涡轮叶片,该涡轮叶片将天然风力产生的动能转变为生态友好的电力源。

然而,尽管使用风而非化石燃料产生能量的明显生态益处,但尚可众所周知,寿命终端涡轮叶片倾向于通过垃圾填埋或焚烧处理。鉴于这种刀片包装有无机成分,填埋场可以导致有害气体的释放,同时燃烧它们对母地的不利,还产生大量的灰分。

在过去,研究人员已经研究了用于回收涡轮机叶片垃圾的机械,热和化学策略,但到目前为止,没有证明是可行的。在这些技术中,机械方法被认为是最成熟的,但它们通常会产生不稳定粘合的纤维,而热解趋于导致炭化,并且基于化学的方法变得难以扩大。

Despite the issues that continue to inhibit the usability of recycled fibers, the Canadian team anticipates that turbine technology’s advances over the next 30 years will result in significant waste, and with blades continuing to be built unsustainably, they say that a new design practice is needed to turn reused materials into a valid commercial opportunity.

来自团队热解的增强试样的裂缝表面的SEM图像。
研究小组的高温强化试样破裂表面的扫描电镜图像。图像通过聚合物复合材料杂志。

将刀片变成构建

根据研究人员的说法,改善回收涡轮部件的商业案例和可印刷性的最佳方法是将任何产生的纤维与PLA长丝集成,用于一直流行的FDM机器。为了验证他们的假设,研究小组从一个更大的刀片上切下一些部分,然后把它们放入一个锤式研磨机,研磨成树脂粉。

筛分后,刀片颗粒与浓度为5-10%的熔融PLA球团混合,挤压两次,得到直径为1.75 mm的长丝。为了评估材料的性能,研究人员随后将其3D打印成十个样本PRUSA.i3Mk2S体系,对热解纤维和传统PLA也做同样的处理。

有趣的是,该团队的分析表明,它们的新材料表现出比热解的更高的拉伸强度,但是可以说刚度的反向,后者达到高达70%的升高。这两个细丝也在这些区域中的原始原料也优于原始原料,但与普通PLA相比,10%-ELEINCOLCECS样品精选的延展性和强度急剧下降。

该团队得出结论,由于其短纤维长度,它们的样品表现出相对高的脆弱性,并且通过进一步的研究,可以生产能够“获得增强3D印刷样本的拉伸性能”和寻址的更长纤维材料。the wider flaw in wind energy’s eco-friendly credentials.

“与原始纤维相比,与原始纤维相比,再循环纤维,即地面和热解,表现出更高的强度和刚度值,”团队在纸上结束。“这表明,从寿命终止的风力涡轮机刀片重用再生玻璃纤维不仅是环境令人愉快的解决方案,而且是由维珍玻璃纤维加固的FDM 3D印刷原料的竞争对手。”

AM的涡轮刀片应用

在比例的相对端,而不是回收涡轮机部件,现在越来越多地用于制造优化的刀片和风能部件。本月早些时候,Optomec.被授予500,000美元美国空军保障中心开发3 d打印技术参数修复F-15和F-16喷气发动机涡轮叶片。

与此相类似,西门子能量开发了一种新型3D打印数字化维修链直接在常规制造的燃气轮机叶片上。该公司为该项目设计了独特的LPBF过程而不是使用基于DED的3D打印,而是可以根据需要将各种升级添加到刀片提示中。

关于风能,具体而言,GE研究已经被授予一个项目美国能源部(DoE)来探索设计3D印刷风力涡轮机叶片。在该计划期间,该公司打算与若干行业领导者合作,开发比标准备件更便宜,更容易获得的刀片提示。

研究人员的调查结果在题为“由不同形式的风力涡轮机废料回收增强的3D打印试样的实验和分析研究。“该研究由Mazin Tahir,Amirmohammad Rahimizadeh,Jordan Kalman,Kazem Fayazbakhsh和Larry Stareard合作。

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特色图片显示一组GE风力涡轮机。照片通过GE。

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