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Jun 20, 2023

탄소

2014년 6월 25일

2014년 6월 25일

하버드 대학교

북미와 유럽 전역의 풍력 발전 단지에서는 최첨단 기술을 갖춘 세련된 터빈이 풍력 에너지를 전력으로 변환합니다. 그러나 이러한 현대 공학의 위업의 블레이드 내부에는 확실히 저기술 핵심 소재인 발사 목재가 자리잡고 있습니다.

경량과 강도의 조합을 달성하기 위해 샌드위치 패널 구조를 사용하는 다른 제조 제품과 마찬가지로 터빈 블레이드에는 세계 공급량의 95%를 공급하는 에콰도르산 발사 목재 조각이 세심하게 배열되어 있습니다.

수세기 동안 빠르게 자라는 발사나무는 밀도에 비해 가벼운 무게와 강성으로 인해 높이 평가되어 왔습니다. 그러나 발사 목재는 가격이 비싸고 나뭇결의 자연스러운 변화는 터빈 블레이드 및 기타 정교한 응용 분야의 점점 더 정확한 성능 요구 사항을 달성하는 데 장애가 될 수 있습니다.

터빈 제조업체는 이제 가장 긴 블레이드가 75미터로 Airbus A380 제트 여객기의 날개 길이와 거의 일치하는 더 큰 블레이드를 생산함에 따라 수십 년 동안 사실상 유지 관리가 필요 없도록 설계해야 합니다. 정밀도, 무게 및 품질 일관성에 대한 더욱 까다로운 사양을 충족하기 위해 제조업체는 새로운 샌드위치 건축 자재 옵션을 찾고 있습니다.

이제 섬유 강화 에폭시 기반 열경화성 수지와 3D 압출 프린팅 기술을 혼합하여 SEAS(Harvard School of Engineering and Applied Sciences)와 Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering의 재료 과학자들이 전례 없는 빛의 세포 복합 재료를 개발했습니다. 무게와 강성. 기계적 특성과 미세한 제조 제어(아래 비디오 참조)로 인해 연구원들은 이러한 신소재가 발사 및 심지어 최고의 상용 3D 프린팅 폴리머 및 폴리머 복합재를 모방하고 개선한다고 말합니다.

그들의 결과를 설명하는 논문은 Advanced Materials 저널에 온라인으로 게재되었습니다.

지금까지 3D 프린팅은 일반적으로 구조적 응용 분야의 엔지니어링 솔루션으로 간주되지 않는 재료인 열가소성 플라스틱 및 UV 경화성 수지용으로 개발되었습니다. Harvard SEAS의 생물학적 영감 공학과 Hansjörg Wyss 교수이자 수석 연구원인 Jennifer A. Lewis는 "에폭시와 같은 새로운 종류의 재료로 전환함으로써 3D 프린팅을 사용하여 경량 건축물을 건설할 수 있는 새로운 길을 열었습니다"라고 말했습니다. "기본적으로 우리는 3D 프린팅의 재료 입맛을 넓히고 있습니다."

"발사 목재는 대부분의 공간이 비어 있고 셀 벽만 하중을 지탱하기 때문에 무게를 최소화하는 셀 구조를 가지고 있습니다. 따라서 특정 강성과 강도가 높습니다."라고 Harvard SEAS에서의 역할 외에도 Lewis는 설명합니다. 또한 Wyss Institute의 핵심 교수진이기도 합니다. "우리는 이 디자인 컨셉을 빌려 공학적 복합재로 모방했습니다."

Lewis와 그녀의 그룹에서 박사후 연구원이었던 Brett G. Compton은 점도를 강화하는 나노클레이 혈소판과 디메틸 메틸포스포네이트라는 화합물을 첨가한 에폭시 수지 잉크를 개발한 다음 두 가지 유형의 충전제를 추가했습니다. 작은 탄화 규소 "수염"과 개별 탄소 섬유. 결과적으로 섬유로 채워진 잉크의 다양성의 핵심은 필러의 방향을 제어할 수 있는 능력입니다.

충전재가 쌓이는 방향에 따라 재료의 강도가 결정됩니다(장작을 세로로 쪼개는 것이 쉬운 것과 결에 대해 수직으로 자르는 것이 상대적으로 어려운 것을 생각해 보세요).

Lewis와 Compton은 그들의 기술이 목재만큼 단단하고 상업용 3D 프린팅 폴리머보다 10~20배 더 단단하며 최고의 프린팅 폴리머 복합재보다 2배 더 강한 셀룰러 복합재를 생성한다는 것을 보여주었습니다. 필러의 정렬을 제어할 수 있다는 것은 제작자가 물체의 구성, 강성 및 견고성을 설계와 디지털 방식으로 통합할 수 있음을 의미합니다.