Нов метод за 4D принтиране създава по-леки и по-бързи перки за вятърни турбини
В официално съобщение на канадския изследователски университет Concordia University [1] се съобщава за разработката на изцяло нов метод за производство на извити перки за вертикални вятърни турбини. Технологията се базира на 4D принтиране на композитни материали и позволява автоматичното деформиране на плоски плоскости в прецизни извити геометрии по време на процеса на охлаждане. Научният труд, описващ разработката, е публикуван в престижното списание Polymer Composites [2].
Проблемът с традиционното производство на перки
Вертикално-осевите вятърни турбини (VAWT) намират все по-широко приложение в градска среда и върху покриви на сгради поради способността им да улавят вятър от всяка посока. Производството на техните извити перки обаче е сериозно предизвикателство [1]:
Традиционните методи изискват сложни триизмерни матрици (калъпи), които са скъпи и времеемки за изработка.
Използването на тежки метални или формовани пластмасови компоненти увеличава общото тегло на турбината.
Високата цена на оборудването ограничава масовото навлизане на малки възобновяеми енергийни източници в градските райони.
За да разрешат тези проблеми, изследователите от Центъра за композитни материали към университета Конкордия насочват усилията си към самодеформиращите се материали.
Революционният „инверсен“ подход за проектиране
В основата на проекта стои работата на докторанта Emad Fakhimi and неговия научен ръководител проф. Suong Van Hoa [1]. Те разработват първата по рода си математическа процедура за „инверсно“ проектиране на композитни структури.
Вместо да подреждат слоевете от въглеродни влакна на случаен принцип и да наблюдават каква извивка ще се получи, учените тръгват от крайната желана 3D форма и изчисляват назад точната конфигурация, която би довела до нея. Процесът изчислява прецизно дебелината, броя на слоевете и ъгъла на полагане на влакната в плоския ламинат, за да се гарантира точността на бъдещата деформация [1].
Механизъм на 4D самодеформацията
При принтирането се използват въглеродно-епоксидни композити с обемна фракция на влакната около 60% [2]. По време на производствения процес плоските слоеве от въглеродни влакна се втвърдяват под въздействието на температура, след което започва контролирано охлаждане:
Изображение: Svetni.me / Авторско изображение
Поради вградената анизотропия на несиметричните ламинати, различните слоеве се свиват в различна степен при спадането на температурата [2]. Тази разлика в топлинното свиване създава вътрешни напрежения, които принуждават първоначално плоската плоскост да се извие сама и да заеме проектираната триизмерна форма без никакво механично въздействие [1].
Експериментални резултати и бъдещето на технологията
Лабораторните тестове показват отлични резултати. Перките, създадени чрез новия 4D метод, съответстват напълно на аеродинамичния профил на стандартните търговски алуминиеви перки [1]. В същото време те имат следните предимства [1]:
Теглото им е с близо 80% по-ниско от това на металните аналози.
В тестови условия турбините, оборудвани с 4D принтираните композитни перки, се въртят по-бързо при еднаква скорост на вятъра.
Елиминирането на скъпите 3D матрици драстично намалява производствените разходи и времето за производство.
Тази технология отваря врати за по-широкото използване на леки и евтини композитни структури не само във вятърната енергетика, но и в редица други аерокосмически и индустриални приложения [1].
Източници: