Как другие произведенные продукты, которые используют групповое строительство сэндвича, чтобы достигнуть комбинации легкого веса и силы, турбинные лезвия содержат тщательно выстраиваемые полосы пробкового дерева из Эквадора, который обеспечивает 95 процентов поставки в мире.В течение многих веков быстрорастущую бальзу оценивали для ее легкого веса и жесткости относительно плотности. Но пробковое дерево — дорогие и естественные изменения в зерне, может быть препятствие для достижения все более и более точных эксплуатационных требований турбинных лезвий и других сложных заявлений.
Поскольку производители турбин производят еще большие лезвия — самые длинные теперь измеряют 75 метров, почти соответствуя размаху крыла авиалайнера Аэробуса A380 — они должны быть спроектированы, чтобы работать фактически без обслуживаний в течение многих десятилетий. Чтобы выполнить более требовательные технические требования для точности, веса и качественной последовательности, производители ищут новые варианты строительного материала сэндвича.Теперь, используя коктейль укрепленных волокном основанных на эпоксидной смоле смол термоурегулирования и 3D методов печати вытеснения, материаловеды из Школы Гарварда Технических и прикладных наук (МОРЯ) и Институт Wyss Биологически Вдохновленной Разработки развивали клеточные композиционные материалы беспрецедентного легкого веса и жесткости. Из-за их механических свойств и контроля прекрасного масштаба фальсификации, исследователи говорят, что эти новые материалы подражают и изменяют к лучшему бальзу, и даже лучшие коммерческие 3D напечатанные полимеры и доступные соединения полимера.
Работа, описывающая их результаты, была опубликована онлайн в журнале Advanced Materials.До сих пор 3D печать была развита для термо пластмасс и УЛЬТРАФИОЛЕТОВО-ИЗЛЕЧИМЫХ смол — материалы, которые, как правило, не рассматривают как технические решения для структурных заявлений. «Двигаясь в новые классы материалов как эпоксидные смолы, мы открываем новые пути для использования 3D печати, чтобы построить легкую архитектуру», говорит научный руководитель Дженнифер А. Льюис, профессор Hansjorg Wyss Биологически Вдохновленной Разработки в МОРЯХ Гарварда. «По существу мы расширяем палитру материалов для 3D печати».«У пробкового дерева есть клеточная архитектура, которая минимизирует ее вес, так как большая часть пространства пуста, и только клеточные стенки несут груз.
У этого поэтому есть высокая определенная жесткость и сила», объясняет Льюис, который в дополнение к ее роли в МОРЯХ Гарварда является также Основным Преподавателем в Институте Wyss. «Мы одолжили эту концепцию проекта и подражали ей в спроектированном соединении».Льюис и Бретт Г. Комптон, бывший постдокторант в ее группе, развивали чернила эпоксидных смол, пронзенных с увеличивающими вязкость наноглиняными пластинками и комплексом, названным этаном methylphosphonate, и затем добавили два типа наполнителей: крошечный кремниевый карбид «бакенбарды» и дискретные углеволокна.
Ключ к многосторонности получающихся заполненных волокном чернил — способность управлять ориентацией наполнителей.Направление, что наполнители депонированы, контролирует силу материалов (думайте о непринужденности о разделении куска дров продольно против относительной трудности раскалывания на перпендикуляре против зерна).Льюис и Комптон показали, что их техника приводит к клеточным соединениям, которые так же жестки как древесина, в 10 — 20 раз более жесткая, чем коммерческие 3D напечатанные полимеры и вдвое более сильная, чем лучшие печатные соединения полимера. Способность управлять выравниванием наполнителей означает, что производители могут в цифровой форме объединить состав, жесткость и крутизну объекта с его дизайном.
«Данная статья демонстрирует, впервые, 3D печать сот с укрепленными волокном клеточными стенками», сказал Лорна Гибсон, преподаватель материаловедения и машиностроения в Массачусетском технологическом институте и одном из ведущих в мире экспертов в клеточных соединениях, который не был вовлечен в это исследование. «Особого значения способ, которым волокна могут быть выровнены через контроль формата изображения волокна — длины относительно диаметра — и диаметра носика. Это отмечает важный шаг вперед в проектировании технических материалов, которые подражают древесине, давно известной его замечательными механическими свойствами для его веса».«Поскольку мы получаем дополнительные уровни контроля в выравнивании наполнителя и изучаем, как лучше интегрировать ту ориентацию в составляющий дизайн, мы можем далее оптимизировать составляющий дизайн и повысить эффективность материалов», добавляет Комптон, который является теперь научным сотрудником в совокупном производстве в Окриджской национальной лаборатории. «В конечном счете мы будем в состоянии использовать 3D технологию печати, чтобы изменить степень выравнивания наполнителя волокна и местного состава на лету.
У работы могли быть применения во многих областях, включая автомобильную промышленность, где более легкие материалы держат под контролем достижение агрессивных переданных под мандат правительством стандартов экономии топлива. Согласно одной оценке, теряя 110 фунтов от каждого из этого 1 миллиарда автомобилей на дороге во всем мире мог произвести $40 миллиардов в ежегодной экономии топлива.У 3D печати есть потенциал, чтобы радикально изменить производство другими способами также. Льюис говорит, что следующий шаг должен будет проверить использование термоурегулирования смол создать различные виды архитектуры, особенно эксплуатируя метод смешивающихся наполнителей и точно выравнивая их.
Это могло привести к достижениям не только в структурных материалах, но также и в проводящих соединениях.Ранее, Льюис провел инновационное исследование в 3D печати конструкций ткани с васкулатурой и литий-ионными микробатареями.Основная поддержка клеточной работы соединений пришла из североамериканского Центра BASF Исследования в области Продвинутых Материалов в Гарварде.
Дополнительная поддержка была оказана Наукой Исследования Материалов и Техническим Центром в Гарварде, финансируемом Национальным научным фондом (DMR 0820484).Видео: https://www.youtube.com/watch? v=pnGPYwNM4rE