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Jun 20, 2023

Carbón

25 de junio de 2014 por

25 de junio de 2014

por la Universidad de Harvard

En los parques eólicos de América del Norte y Europa, elegantes turbinas equipadas con tecnología de punta convierten la energía eólica en energía eléctrica. Pero escondido dentro de las hojas de estas hazañas de la ingeniería moderna hay un material central decididamente de baja tecnología: la madera de balsa.

Al igual que otros productos fabricados que utilizan la construcción de paneles sándwich para lograr una combinación de peso ligero y resistencia, los álabes de las turbinas contienen tiras de madera de balsa cuidadosamente ordenadas de Ecuador, que proporciona el 95 por ciento del suministro mundial.

Durante siglos, el árbol de balsa de rápido crecimiento ha sido apreciado por su peso ligero y rigidez en relación con la densidad. Pero la madera de balsa es costosa y las variaciones naturales en el grano pueden ser un impedimento para lograr los requisitos de rendimiento cada vez más precisos de las palas de las turbinas y otras aplicaciones sofisticadas.

A medida que los fabricantes de turbinas producen palas cada vez más grandes (las más largas ahora miden 75 metros, casi igualando la envergadura de un avión de pasajeros Airbus A380), deben diseñarse para operar prácticamente sin mantenimiento durante décadas. Para cumplir con las especificaciones más exigentes de precisión, peso y consistencia de calidad, los fabricantes están buscando nuevas opciones de materiales de construcción tipo sándwich.

Ahora, utilizando un cóctel de resinas termoendurecibles basadas en epoxi reforzadas con fibra y técnicas de impresión por extrusión 3D, los científicos de materiales de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS) y el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada han desarrollado materiales compuestos celulares de una luz sin precedentes. peso y rigidez. Debido a sus propiedades mecánicas y el control de fabricación a escala fina (ver el video a continuación), los investigadores dicen que estos nuevos materiales imitan y mejoran la balsa, e incluso los mejores polímeros comerciales impresos en 3D y compuestos de polímeros disponibles.

Un artículo que describe sus resultados ha sido publicado en línea en la revista Advanced Materials.

Hasta ahora, la impresión 3D se ha desarrollado para termoplásticos y resinas curables con UV, materiales que normalmente no se consideran soluciones de ingeniería para aplicaciones estructurales. "Al pasar a nuevas clases de materiales como los epoxis, abrimos nuevas vías para usar la impresión 3D para construir arquitecturas livianas", dice la investigadora principal Jennifer A. Lewis, profesora Hansjörg Wyss de ingeniería biológicamente inspirada en Harvard SEAS. "Esencialmente, estamos ampliando el paladar de materiales para la impresión 3D".

"La madera de balsa tiene una arquitectura celular que minimiza su peso ya que la mayor parte del espacio está vacío y solo las paredes de las celdas soportan la carga. Por lo tanto, tiene una rigidez y resistencia específicas altas", explica Lewis, quien además de su rol en Harvard SEAS también es miembro de la facultad central en el Instituto Wyss. "Tomamos prestado este concepto de diseño y lo imitamos en un compuesto de ingeniería".

Lewis y Brett G. Compton, ex becario postdoctoral en su grupo, desarrollaron tintas de resinas epoxi, enriquecidas con plaquetas de nanoarcilla que mejoran la viscosidad y un compuesto llamado dimetil metilfosfonato, y luego agregaron dos tipos de rellenos: diminutos "bigotes" de carburo de silicio y fibras de carbono discretas. La clave de la versatilidad de las tintas con relleno de fibra resultantes es la capacidad de controlar la orientación de los rellenos.

La dirección en la que se depositan los rellenos controla la resistencia de los materiales (piense en la facilidad de partir un trozo de leña a lo largo frente a la dificultad relativa de cortar en sentido perpendicular contra la fibra).

Lewis y Compton han demostrado que su técnica produce compuestos celulares que son tan rígidos como la madera, de 10 a 20 veces más rígidos que los polímeros comerciales impresos en 3D y dos veces más fuertes que los mejores compuestos de polímeros impresos. La capacidad de controlar la alineación de los rellenos significa que los fabricantes pueden integrar digitalmente la composición, la rigidez y la dureza de un objeto con su diseño.

"Este documento demuestra, por primera vez, la impresión 3D de panales con paredes celulares reforzadas con fibra", dijo Lorna Gibson, profesora de ciencia de materiales e ingeniería mecánica en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y una de las principales expertas mundiales en compuestos celulares. que no participó en esta investigación. "De particular importancia es la forma en que se pueden alinear las fibras, a través del control de la relación de aspecto de la fibra (la longitud en relación con el diámetro) y el diámetro de la boquilla. Esto marca un importante paso adelante en el diseño de materiales de ingeniería que imitan la madera, conocidos desde hace mucho tiempo. por sus notables propiedades mecánicas por su peso."

"A medida que obtenemos niveles adicionales de control en la alineación del relleno y aprendemos cómo integrar mejor esa orientación en el diseño de componentes, podemos optimizar aún más el diseño de componentes y mejorar la eficiencia de los materiales", agrega Compton, quien ahora es científico de planta en fabricación aditiva en Oak Ridge. Laboratorio Nacional. "Eventualmente, podremos usar la tecnología de impresión 3D para cambiar el grado de alineación del relleno de fibra y la composición local sobre la marcha".

El trabajo podría tener aplicaciones en muchos campos, incluida la industria automotriz, donde los materiales más livianos son la clave para lograr los agresivos estándares de economía de combustible exigidos por el gobierno. Según una estimación, deshacerse de 110 libras de cada uno de los 1.000 millones de automóviles que circulan en todo el mundo podría producir un ahorro anual de combustible de 40.000 millones de dólares.

La impresión 3D también tiene el potencial de cambiar radicalmente la fabricación de otras maneras. Lewis dice que el próximo paso será probar el uso de resinas termoendurecibles para crear diferentes tipos de arquitecturas, especialmente mediante la explotación de la técnica de mezclar rellenos y alinearlos con precisión. Esto podría conducir a avances no solo en materiales estructurales, sino también en compuestos conductores.

Anteriormente, Lewis llevó a cabo investigaciones innovadoras en la impresión 3D de construcciones de tejidos con vasculatura y microbaterías de iones de litio.

Información del diario:Materiales avanzados

Proporcionado por la Universidad de Harvard