Additively Manufactured Rectilinear Infilled Carbon-Fibre-Reinforced Polyamide Composite Architectures for Next-Generation Lightweight Wind Turbine Blades

Windenergie vormt een hoeksteen van de wereldwijde verschuiving naar schone energie, omdat het een manier biedt om elektriciteit op te wekken zonder de vervuiling die gepaard gaat met het verbranden van fossiele brandstoffen. Het hart van elke windturbine zijn de bladen, de massieve structuren die de wind opvangen en deze omzetten in beweging. Om deze machines efficiënt te laten werken, vooral naarms groter worden om meer energie op te vangen, moeten de bladen ongelooflijk sterk maar ook opmerkelijk licht zijn. Als ze te zwaar zijn, hebben de turbines moeite met draaien; als ze niet sterk genoeg zijn, riskeren ze te breken onder de meedogenloze druk van de wind. Traditioneel gezien omvat het maken van deze bladen complexe mallen en lagen van zware materialen, een proces dat verspillend en inflexibel kan zijn. Onlangs is een methode bekend als additive manufacturing, of 3D-printen, naar voren gekomen als een potentiële oplossing. Deze techniek bouwt objecten laag voor laag op, wat mogelijk maakt dat er complexe vormen worden gemaakt en materiaalverspilling wordt verminderd. Echter, voor 3D-printen om traditionele methoden in de windenergie te vervangen, moeten de gebruikte materialen in staat zijn om de barre omstandigheden buiten te weerstaan, inclusief hitte, kou en de constante fysieke stress van het draaien.

Onderzoekers aan het Indian Institute of Technology Mandi zetten zich in om te onderzoeken of een specifiek type 3D-geprint materiaal aan deze veeleisende vereisten kon voldoen. Ze richtten zich op een composietmateriaal dat is gemaakt door gesnipperde koolstofvezels te mengen in een taai plastic genaamd polyamide. In de wereld van de productie staat deze mix vaak bekend onder de commerciële naam Onyx. De koolstofvezels fungeren als een skelet binnen het plastic, wat zorgt voor extra sterkte en stijfheid, terwijl het plastic alles bij elkaar houdt. Het team gebruikte een printmethode genaamd fused filament fabrication, die werkt door een dunne draad van dit materiaal te verhitten tot het smelt en het vervolgens door een spuitmond naar buiten te persen om een vorm op te bouwen. Ze testten specifiek een patroon genaamd rectilinear infill, waarbij het materiaal in rechte, heen-en-weer bewegende lijnen wordt neergelegd, vergelijkbaar met hoe een grasmaaier een gazon bedekt. Dit patroon werd gekozen omdat het krachten gelijkmatig over de structuur verdeelt. De onderzoekers printten kleine teststukken met dit materiaal en onderwierpen deze aan een reeks tests om te zien hoe ze stand zouden houden onder invloed van hitte, druk en impact, waarbij de omstandigheden werden nagebootst waaraan een windturbineblad zou kunnen worden blootgesteld.

De resultaten van hun onderzoek suggereren dat deze aanpak veelbelovend is. Wanneer het team het geprinte materiaal verhitte om te zien hoe het zou reageren op hoge temperaturen, toonde het een uitstekende stabiliteit. De koolstofvezels hielpen de afbraak van het plastic te vertragen, wat betekent dat het materiaal waarschijnlijk de schommelende hitte en kou van een buitenomgeving zou kunnen overleven zonder zijn vorm of sterkte te verliezen. Om de interne structuur van het materiaal te begrijpen, gebruikten de onderzoekers röntgenanalyse, die onthulde dat de moleculen waren gerangschikt in een stabiel, semi-kristallijn patroon. Deze ordelijke ordening is cruciaal omdat het aangeeft dat de materiaallagen tijdens het printen goed aan elkaar zijn versmolten, waardoor een solide, verenigde structuur is ontstaan in plaats van een zwakke stapel losse vellen.

Wat betreft de fysieke sterkte presteerde het geprinte materiaal indrukwekkend bij verschillende soorten spanning. Wanneer het materiaal uit elkaar werd getrokken, weerstond het een gemiddelde kracht van ongeveer 33,5 MPa voordat het brak. Wanneer het werd samengedrukt, hield het een gemiddelde druk van ongeveer 72,2 MPa stand, wat een sterk vermogen demonstreerde om zware lasten te dragen zonder in te storten. Het materiaal vertoonde ook een goed vermogen om energie te absorberen wanneer het werd geraakt, een vitale eigenschap voor bladen die hagel, stof of puin tegen kunnen komen. De onderzoekers maten deze slagsterkte op een gemiddelde van 42,1 kJ/m². Bovendien, wanneer het materiaal werd gebogen, bood het weerstand tegen breken met een buigsterkte van tot 33 MPa, wat aantoont dat het de buigkrachten veroorzaakt door winddruk kan weerstaan zonder te knappen. Het oppervlak van de geprinte stukken werd ook onderzocht, waarbij een consistente textuur werd vastgesteld met een gemiddelde ruwheid van ongeveer 8,65 micrometer. Dit niveau van gladheid is belangrijk voor windbladen, aangezien een ruw oppervlak de luchtstroom kan verstoren en de efficiëntie kan verminderen.

Ondanks deze positieve bevindingen benadrukte de studie ook de gebieden waar de technologie nog steeds voor uitdagingen staat. De onderzoekers ontdekten dat de geprinte onderdelen kleine holtes bevatten, bekend als voids, die tussen de lagen materiaal ontstonden. Hoewel de oppervlakken van de stukken relatief weinig van deze openingen hadden, bevatten de interne secties er meer, waarbij de void-fracties in sommige gebieden opliepen tot ongeveer 17 procent. Deze kleine openingen kunnen fungeren als zwakke punten waar spanning zich concentreert, wat potentieel kan leiden tot scheuren in de loop van de tijd als het materiaal wordt blootgesteld aan herhaaldelijk buigen en draaien. De studie merkt op dat hoewel het materiaal sterk is, deze interne imperfecties betekenen dat het printproces nauwkeurig gecontroleerd moet worden om ervoor te zorgen dat de lagen perfect aan elkaar hechten. De onderzoekers observeerden ook dat het materiaal de neiging had om op een brosse manier te falen, wat betekent dat het plotseling kan knappen in plaats van eerst aanzienlijk te buigen, een kenmerk dat beheerst moet worden bij het ontwerp van grote, echte bladen.

Het werk van Jain en Sharma beweert niet het probleem van de productie van windturbines van de ene op de andere dag te hebben opgelend, maar het biedt een duidelijke en bemoedigende stap voorwaarts. Door te bewijzen dat 3D-geprint koolstofvezelversterkt plastic zowel lichtgewicht als sterk kan zijn, opent de studie de deur naar het creëren van windturbinebladen die gemakkelijker te produceren zijn en potentieel efficiënter. Het vermogen om complexe vormen direct te printen, zonder de noodzaak van zware mallen, kan materiaalverspilling verminderen en toelaten dat ontwerpen specifiek worden afgestemd op de krachten die ze zullen tegenkomen. Hoewel de aanwezigheid van interne holtes en de noodzaak van verdere tests op de lange termijn duurzaamheid blijven bestaan, bevestigen de bevindingen dat dit materiaal een levensvatbare kandidaat is voor de volgende generatie infrastructuur voor hernieuwbare energie. De weg naar het vervangen van traditionele bladen door 3D-geprinte exemplaren zal meer werk vereisen om het printproces te perfectioneren en die interne openingen te elimineren, maar het fundament is gelegd met een materiaal dat klaar is om in de echte wereld getest te worden.