工程師將風力渦輪機廢料回收成堅固的新型纖維增強性3D打印材料
時間：2021-06-22 08:19 來源：中國3D打印網 作者：admin 閱讀：次
中國3D打印網6月22日訊，加拿大麥吉爾大學和瑞爾森大學的工程師已成功將破壞環境的風力渦輪機廢料轉化為堅固的新型 PLA 3D 打印材料。使用機械研磨和熱解的混合物，該團隊已經能夠將現已報廢的風力渦輪機葉片回收成細纖維粉末。在總結測試中，葉片的殘余物不僅顯示出比原始玻璃纖維更高的強度和剛度，而且一旦與 PLA 集成，它們就證明能夠產生堅固的纖維增強 3D 打印部件。
該團隊在他們的論文中說：“我們提出了一種程序，將報廢風力渦輪機葉片中的回收玻璃纖維加入純熱塑性 FDM 材料中。我們的回收系統預計將重復使用大量渦輪葉片廢料，從而大大減少危險和有害葉片材料的垃圾填埋場。在長絲中加入回收的玻璃纖維將提高所生產組件的可靠性和強度，從而導致 FDM 3D 打印的更廣泛應用。”
研究人員對未來三十年渦輪機廢物增長的估計。圖片來自聚合物復合材料雜志。
一般來說，復合材料的高強度和剛度重量比使其成為生產低碳足跡的航空航天、軍事和汽車零件的理想選擇。風能領域也是如此，玻璃纖維通常用于增強復合材料渦輪葉片，將自然風產生的動能轉化為環保的電力來源。然而，盡管使用風能而不是化石燃料來產生能源具有明顯的生態效益，但鮮為人知的是，報廢的渦輪葉片往往通過垃圾填埋或焚燒處理。鑒于此類刀片含有無機成分，填埋它們會導致釋放有害氣體，而燃燒它們對地球母親的危害較小，但也會產生大量灰燼。
過去，研究人員研究了回收渦輪葉片廢料的機械、熱和化學策略，但迄今為止沒有一個被證明是可行的。在這些技術中，機械方法被認為是最成熟的，但它們通常會產生不穩定的粘合纖維，而熱解往往會導致炭化，而基于化學的方法已變得難以規模化。
盡管存在繼續抑制再生纖維可用性的問題，但加拿大團隊預計，未來 30 年渦輪機技術的進步將導致大量浪費，并且葉片的建造將繼續不可持續，他們表示需要一種新的設計實踐將重復使用的材料轉化為有效的商業機會。
來自該團隊熱解增強試樣斷裂表面的 SEM 圖像。圖片來自聚合物復合材料雜志。
據中國3D打印網了解，改善回收渦輪機部件的商業案例和可印刷性的最佳方法是將任何所得纖維與 PLA 細絲集成，以用于廣受歡迎的 FDM 機器。為了驗證他們的假設，該團隊從更大的刀片上切下部分，然后將它們送入錘式研磨機，將它們打碎成樹脂粉末。過篩后，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 的長絲。為了評估他們的材料的性能，研究人員隨后使用 Prusa i3Mk2S 系統將其 3D 打印成十個樣品，對熱解纖維和傳統 PLA 也進行了同樣的處理。有趣的是，該團隊的分析表明，他們的新材料比熱解材料表現出更高的拉伸強度，但剛度卻相反，后者的剛度增加了 70%。兩種長絲在這些方面也優于原始原料，但與普通 PLA 相比，10% 增強的樣品的延展性和強度顯著降低。
該團隊在他們的論文中說：“我們提出了一種程序，將報廢風力渦輪機葉片中的回收玻璃纖維加入純熱塑性 FDM 材料中。我們的回收系統預計將重復使用大量渦輪葉片廢料，從而大大減少危險和有害葉片材料的垃圾填埋場。在長絲中加入回收的玻璃纖維將提高所生產組件的可靠性和強度，從而導致 FDM 3D 打印的更廣泛應用。”
研究人員對未來三十年渦輪機廢物增長的估計。圖片來自聚合物復合材料雜志。
一般來說，復合材料的高強度和剛度重量比使其成為生產低碳足跡的航空航天、軍事和汽車零件的理想選擇。風能領域也是如此，玻璃纖維通常用于增強復合材料渦輪葉片，將自然風產生的動能轉化為環保的電力來源。然而，盡管使用風能而不是化石燃料來產生能源具有明顯的生態效益，但鮮為人知的是，報廢的渦輪葉片往往通過垃圾填埋或焚燒處理。鑒于此類刀片含有無機成分，填埋它們會導致釋放有害氣體，而燃燒它們對地球母親的危害較小，但也會產生大量灰燼。
過去，研究人員研究了回收渦輪葉片廢料的機械、熱和化學策略，但迄今為止沒有一個被證明是可行的。在這些技術中，機械方法被認為是最成熟的，但它們通常會產生不穩定的粘合纖維，而熱解往往會導致炭化，而基于化學的方法已變得難以規模化。
盡管存在繼續抑制再生纖維可用性的問題，但加拿大團隊預計，未來 30 年渦輪機技術的進步將導致大量浪費，并且葉片的建造將繼續不可持續，他們表示需要一種新的設計實踐將重復使用的材料轉化為有效的商業機會。
來自該團隊熱解增強試樣斷裂表面的 SEM 圖像。圖片來自聚合物復合材料雜志。
據中國3D打印網了解，改善回收渦輪機部件的商業案例和可印刷性的最佳方法是將任何所得纖維與 PLA 細絲集成，以用于廣受歡迎的 FDM 機器。為了驗證他們的假設，該團隊從更大的刀片上切下部分，然后將它們送入錘式研磨機，將它們打碎成樹脂粉末。過篩后，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 的長絲。為了評估他們的材料的性能，研究人員隨后使用 Prusa i3Mk2S 系統將其 3D 打印成十個樣品，對熱解纖維和傳統 PLA 也進行了同樣的處理。有趣的是，該團隊的分析表明，他們的新材料比熱解材料表現出更高的拉伸強度，但剛度卻相反，后者的剛度增加了 70%。兩種長絲在這些方面也優于原始原料，但與普通 PLA 相比，10% 增強的樣品的延展性和強度顯著降低。
該團隊得出結論，他們的樣品由于纖維長度短而表現出相對較高的脆性，并且通過進一步的研究，有可能生產出能夠“獲得增強型 3D 打印樣品的拉伸性能”的更長纖維材料，并解決風能環保證書的更廣泛缺陷。該團隊在論文中總結道：“與原始纖維相比，兩種再生纖維，即經過研磨和熱解的纖維，都表現出更高的強度和剛度值。這表明從報廢的風力渦輪機葉片中再利用回收的玻璃纖維不僅是一種鼓勵環境的解決方案，而且還是由原始玻璃纖維增強的 FDM 3D 打印原料的競爭對手。”
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