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Jun 20, 2023

Kohlenstoff

25. Juni 2014 von

25. Juni 2014

von der Harvard University

In Windparks in Nordamerika und Europa wandeln schlanke Turbinen, die mit modernster Technologie ausgestattet sind, Windenergie in elektrischen Strom um. Doch in den Klingen dieser Meisterleistungen moderner Ingenieurskunst steckt ein ausgesprochen Low-Tech-Kernmaterial: Balsaholz.

Wie andere hergestellte Produkte, die eine Sandwichplattenkonstruktion verwenden, um eine Kombination aus geringem Gewicht und Festigkeit zu erreichen, enthalten Turbinenschaufeln sorgfältig angeordnete Streifen aus Balsaholz aus Ecuador, das 95 Prozent des weltweiten Bedarfs deckt.

Der schnell wachsende Balsabaum wird seit Jahrhunderten für sein geringes Gewicht und seine Steifheit im Verhältnis zur Dichte geschätzt. Doch Balsaholz ist teuer und natürliche Variationen in der Maserung können ein Hindernis dafür sein, die immer präziseren Leistungsanforderungen von Turbinenschaufeln und anderen anspruchsvollen Anwendungen zu erfüllen.

Da Turbinenhersteller immer größere Rotorblätter produzieren – die längsten sind mittlerweile 75 Meter lang, was fast der Flügelspannweite eines Airbus A380-Jetliners entspricht – müssen sie so konstruiert sein, dass sie jahrzehntelang praktisch wartungsfrei funktionieren. Um anspruchsvollere Anforderungen an Präzision, Gewicht und Qualitätskonstanz zu erfüllen, suchen Hersteller nach neuen Optionen für Sandwichbaumaterialien.

Nun haben Materialwissenschaftler der Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering mithilfe eines Cocktails aus faserverstärkten duroplastischen Harzen auf Epoxidbasis und 3D-Extrusionsdrucktechniken zelluläre Verbundmaterialien von beispielloser Lichtstärke entwickelt Gewicht und Steifigkeit. Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und der Feinsteuerung der Herstellung (siehe Video unten) sind diese neuen Materialien den Forschern zufolge Balsaholz nachahmen und sogar die besten kommerziell erhältlichen 3D-gedruckten Polymere und Polymerverbundstoffe imitieren und verbessern.

Ein Artikel, der ihre Ergebnisse beschreibt, wurde online in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Bisher wurde der 3D-Druck für Thermoplaste und UV-härtbare Harze entwickelt – Materialien, die normalerweise nicht als technische Lösungen für strukturelle Anwendungen angesehen werden. „Durch den Einstieg in neue Materialklassen wie Epoxidharze eröffnen wir neue Möglichkeiten für den Einsatz des 3D-Drucks zur Konstruktion von Leichtbauarchitekturen“, sagt die Hauptforscherin Jennifer A. Lewis, Hansjörg-Wyss-Professorin für biologisch inspirierte Technik an der Harvard SEAS. „Im Wesentlichen erweitern wir die Materialpalette für den 3D-Druck.“

„Balsaholz verfügt über eine zelluläre Architektur, die sein Gewicht minimiert, da der größte Teil des Raums leer ist und nur die Zellwände die Last tragen. Es weist daher eine hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit auf“, erklärt Lewis, die zusätzlich zu ihrer Rolle bei Harvard SEAS ist außerdem Kernfakultätsmitglied am Wyss Institute. „Wir haben dieses Designkonzept übernommen und es in einem technischen Verbundwerkstoff nachgeahmt.“

Lewis und Brett G. Compton, ein ehemaliger Postdoktorand in ihrer Gruppe, entwickelten Tinten aus Epoxidharzen, versetzt mit viskositätserhöhenden Nanotonplättchen und einer Verbindung namens Dimethylmethylphosphonat und fügten dann zwei Arten von Füllstoffen hinzu: winzige Siliziumkarbid-„Whisker“ und diskrete Kohlenstofffasern. Der Schlüssel zur Vielseitigkeit der resultierenden fasergefüllten Tinten liegt in der Möglichkeit, die Ausrichtung der Füllstoffe zu steuern.

Die Richtung, in der die Füllstoffe aufgetragen werden, bestimmt die Festigkeit der Materialien (denken Sie an die Leichtigkeit, ein Stück Brennholz der Länge nach zu spalten, im Vergleich zu der relativen Schwierigkeit, es senkrecht gegen die Faser zu hacken).

Lewis und Compton haben gezeigt, dass ihre Technik zelluläre Verbundwerkstoffe liefert, die so steif wie Holz, 10 bis 20 Mal steifer als kommerzielle 3D-gedruckte Polymere und doppelt so stark wie die besten gedruckten Polymerverbundwerkstoffe sind. Durch die Möglichkeit, die Ausrichtung der Füllstoffe zu steuern, können Hersteller die Zusammensetzung, Steifigkeit und Zähigkeit eines Objekts digital in sein Design integrieren.

„Dieser Artikel demonstriert zum ersten Mal den 3D-Druck von Waben mit faserverstärkten Zellwänden“, sagte Lorna Gibson, Professorin für Materialwissenschaften und Maschinenbau am Massachusetts Institute of Technology und eine der weltweit führenden Experten für Zellverbundwerkstoffe. der nicht an dieser Forschung beteiligt war. „Von besonderer Bedeutung ist die Art und Weise, wie die Fasern ausgerichtet werden können, durch die Steuerung des Faserseitenverhältnisses – der Länge im Verhältnis zum Durchmesser – und des Düsendurchmessers. Dies stellt einen wichtigen Fortschritt bei der Entwicklung technischer Materialien dar, die Holz nachahmen, wie schon lange bekannt.“ für seine bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften im Verhältnis zu seinem Gewicht.“

„Wenn wir mehr Kontrolle über die Ausrichtung der Füllstoffe erlangen und lernen, wie wir diese Ausrichtung besser in das Komponentendesign integrieren können, können wir das Komponentendesign weiter optimieren und die Materialeffizienz verbessern“, fügt Compton hinzu, der jetzt als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der additiven Fertigung bei Oak Ridge tätig ist Nationales Labor. „Irgendwann werden wir in der Lage sein, die 3D-Drucktechnologie zu nutzen, um den Grad der Faserfüllerausrichtung und die lokale Zusammensetzung im Handumdrehen zu ändern.“

Die Arbeit könnte in vielen Bereichen Anwendung finden, einschließlich der Automobilindustrie, wo leichtere Materialien der Schlüssel zur Erreichung strenger, von der Regierung vorgeschriebener Standards für den Kraftstoffverbrauch sind. Einer Schätzung zufolge könnte das Einsparen von 110 Pfund bei jedem der 1 Milliarde Autos, die weltweit unterwegs sind, zu einer jährlichen Kraftstoffeinsparung von 40 Milliarden US-Dollar führen.

Der 3D-Druck hat das Potenzial, die Fertigung auch in anderer Hinsicht radikal zu verändern. Lewis sagt, dass der nächste Schritt darin bestehen wird, die Verwendung duroplastischer Harze zur Schaffung verschiedener Arten von Architekturen zu testen, insbesondere durch die Nutzung der Technik des Mischens von Füllstoffen und deren präzises Ausrichten. Dies könnte nicht nur zu Fortschritten bei Strukturmaterialien, sondern auch bei leitfähigen Verbundwerkstoffen führen.

Zuvor hat Lewis bahnbrechende Forschungen zum 3D-Druck von Gewebekonstrukten mit Gefäßsystemen und Lithium-Ionen-Mikrobatterien durchgeführt.

Zeitschrifteninformationen:Fortgeschrittene Werkstoffe

Zur Verfügung gestellt von der Harvard University