Connect with us

công nghệ

Mở rộng các giải pháp bền vững cho vật liệu composite gia cố bằng sợi

[ad_1]

Việc chuyển đổi cơ sở hạ tầng năng lượng và giao thông sang các hệ thống hiệu quả, bền vững đòi hỏi các vật liệu nhẹ hơn, bền hơn. Thông thường, các kỹ sư buộc phải từ bỏ các vật liệu đồng nhất truyền thống để chuyển sang sử dụng vật liệu tổng hợp.

Tiến sĩ Matthew Korey, cộng tác viên nghiên cứu tại Bộ Năng lượng cho biết: “Vật liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi đã cách mạng hóa nhiều ứng dụng. Trong nhiều trường hợp, chúng không chỉ là vật liệu hiệu quả hơn mà còn rất cần thiết”. Cơ sở trình diễn sản xuất (MDF) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL).

Sản xuất bồi đắp quy mô lớn là một ví dụ. “Khi bạn mở rộng quy mô công nghệ, bạn bắt đầu đưa các gradient nhiệt vào bản in và một số khu vực sẽ nguội nhanh hơn những khu vực khác. Vì vậy, bạn không thể làm điều đó chỉ với nhựa, bạn cần gia cố bằng sợi để giúp quản lý nhiệt,” giải thích Tiến sĩ Korey.

máy hủy tài liệu cumberland

Trong cơ sở trình diễn sản xuất có một máy hủy được chế tạo riêng để phá vỡ các vật liệu composite và đo lường đầu ra của quy trình trong thời gian thực. Kết nối cho cảm biến có thể nhìn thấy ở góc dưới bên phải.Nguồn ảnh: Matt Stonecash

Hiệu suất này phải trả giá vì quy trình sản xuất vật liệu tổng hợp tiêu tốn nhiều năng lượng và việc tái chế là một thách thức. Quy mô nhu cầu dự đoán về vật liệu tổng hợp (đối với phương tiện nhẹ hơn, tua bin gió lớn hơn, cơ sở hạ tầng bền hơn, v.v.) nâng thách thức này lên tầm quan trọng quốc gia và biến những tiến bộ trong sản xuất vật liệu tổng hợp bền vững trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng.

Nhóm Công nghệ Sản xuất Bền vững, do Tiến sĩ Soydan Ozcan đứng đầu, tiến hành nghiên cứu và phát triển vật liệu tổng hợp sinh học cũng như các phương pháp tái chế composite và polymer tại MDF. Công việc của nhóm nhằm mục đích giảm thiểu rủi ro trong việc áp dụng và mở rộng quy mô sản xuất tiên tiến hướng tới nền kinh tế tuần hoàn, luôn chú trọng đến tính bền vững và khả năng tồn tại của nền kinh tế.

Hai nhà khoa học nghiên cứu tại một cơ sở nghiên cứu.

Hai cộng tác viên nghiên cứu và phát triển của Nhóm Công nghệ Sản xuất Bền vững, Tiến sĩ Amber Hubbard (trái) và Tiến sĩ Matthew Korey, trên tầng chính của cơ sở trình diễn sản xuất.

Phá vỡ vật liệu composite cứng

Chính những đặc tính này làm cho vật liệu tổng hợp có giá trị trong các ứng dụng như năng lượng gió, ô tô và hàng không vũ trụ, nhưng chúng phải đối mặt với những thách thức từ góc độ bền vững. Ví dụ, cánh tuabin gió quá lớn để lắp vào các tòa nhà và quá khó cắt bằng cưa. Tuy nhiên, những vật liệu này có thể được tái chế và trong một số trường hợp, nguyên liệu thô thu được vừa bền vững vừa tiết kiệm chi phí.

Để giảm kích thước của vật liệu composite trên quy mô lớn, các nhà nghiên cứu đang làm việc với xứ Cumberland Máy nghiền và tạo hạt chuyên dụng có công suất hoạt động 4.000 lb/giờ, có khả năng tiếp nhận các bộ phận có kích thước lên tới 4 x 4 feet. Dây chuyền này được trang bị một bộ cảm biến để nắm bắt thông lượng, mức tiêu thụ điện năng và độ rung, cho phép phân tích vòng đời và kinh tế kỹ thuật theo thời gian thực. Bằng cách kiểm soát áp suất đột, quy trình có thể được tối ưu hóa cho vật liệu đang được xử lý.

See also  Bloomberg Technology: Gói bồi thường của Musk - Bloomberg

Một trong những vấn đề chính trong hoạt động của máy nghiền là thời gian hoạt động, đặc biệt khi xử lý các vật liệu composite cứng. Bằng cách tương quan giữa độ mòn với đầu ra của cảm biến, các nhà nghiên cứu nhận thấy họ có thể sử dụng độ rung của máy để chỉ ra độ mòn của răng một cách đáng tin cậy. Thay vì tắt và bật máy định kỳ để đo vật lý lưỡi dao, người vận hành có thể chạy máy cho đến khi dữ liệu rung cho thấy cần phải sửa chữa. Cumberland hiện cung cấp bộ cảm biến như một tùy chọn cho khách hàng của mình.

Tay đeo găng giữ vật liệu cắt nhỏ.

cắt nhỏ ABS/Vật liệu sợi carbon sẽ được tiếp tục xử lý thành các hạt nhỏ hơn.

Trong một số ứng dụng, đầu ra của máy tạo hạt có thể được sử dụng nguyên trạng, nhưng trong các ứng dụng khác, những thay đổi về kích thước có thể là một vấn đề. Máy tạo hạt sàng lọc hầu hết các mảnh lớn hơn nhưng tạo ra 7-10% bụi. Bụi có thể là một vấn đề trong các quy trình tiếp theo như in 3D hút chân không. MỘT Leistritz Máy đùn trục vít đôi và Máy móc nhựa vùng Vịnh Máy tạo hạt tiếp tục xử lý vật liệu thành hạt có thể được sử dụng để tạo ra các bộ phận đồng nhất. Phụ gia và vật liệu sinh học cũng có thể được thêm vào trong bước ép đùn. Nghiên cứu theo kế hoạch sẽ áp dụng phương pháp tiếp cận bộ cảm biến cho quy trình ép đùn, tìm kiếm cơ hội giảm chi phí và cải thiện tính bền vững.

Mặc dù quá trình ép đùn có thể tạo ra các viên đồng nhất, chất lượng cao, nhưng nó cũng tốn nhiều năng lượng và nhân công và khiến các phân tử polymer phải chịu ứng suất cắt và nhiệt, làm suy giảm đặc tính của chúng. Một cách tiếp cận khác là cố gắng tạo ra các hạt sạch hơn, đồng đều hơn trong khi bỏ qua các bước ép đùn và tạo hạt.Các nhà nghiên cứu có kế hoạch tích hợp một Werther Đặt bảng phân loại vào dây chuyền nghiền của nó để tách các hạt có kích thước quá lớn và nhỏ. Là một sản phẩm riêng lẻ, bụi có thể được chuyển hóa từ chất gây ô nhiễm thành sản phẩm có giá trị.

Tiến sĩ Corey nói: “Đối với một số ứng dụng, như nhiệt phân tầng sôi, họ thực sự cần có bụi, vì vậy họ quan tâm đến việc xem liệu liệu chúng ta có thể chạy quy trình này để tạo ra càng nhiều bụi càng tốt và cần bao nhiêu năng lượng”. ? Có cần thiết không?”

Sinh học là nguyên liệu thô bền vững

Một lĩnh vực nghiên cứu tích cực khác về MDF là xem xét đầu kia của vòng đời vật liệu tổng hợp, tìm cách thay thế các nguyên liệu sử dụng nhiều carbon bằng các vật liệu có nguồn gốc sinh học.

Tiến sĩ Amber Hubbard, cộng tác viên R&D tại MDF cho biết: “Ngay cả khi bạn đang sử dụng ma trận polymer gốc dầu mỏ, bạn có thể bù đắp 30% bằng sợi tự nhiên, điều này sẽ mang lại cho bạn đánh giá vòng đời phía sau thuận lợi hơn”. .

Sợi tự nhiên bao gồm sợi nano cellulose, bột gỗ, lanh và cây gai dầu. Ngoài việc thay thế hóa dầu, chúng còn có thể cung cấp độ bền kéo và cải thiện tính chất cơ học. Mặc dù các hạn chế về nhiệt độ và các vấn đề về khả năng tương thích có nghĩa là các vật liệu có nguồn gốc sinh học không phải lúc nào cũng có thể thay thế trực tiếp cho các loại nhựa truyền thống, nhưng chúng vẫn tương thích với các vật liệu nền như PP và PLA. Chúng cũng có thể tái chế.

Các đặc tính của một số vật liệu tổng hợp dựa trên sinh học có thể được bảo tồn hoặc thậm chí được cải thiện thông qua quá trình tái chế. Nghiên cứu cho thấy điều này có thể là do sợi tự nhiên bị biến dạng khi bị cắt nhỏ và nghiền. Sợi carbon dễ gãy, trong khi sợi tự nhiên có thể uốn cong và tạo thành sợi. Quá trình tạo sợi có thể mang lại sự thâm nhập và bám dính tốt hơn vào nền polyme.

SM2Dự án ART, sự hợp tác giữa Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, Đại học Maine và các đối tác công nghiệp, cho thấy vật liệu tổng hợp được gia cố bằng sợi sinh học có thể mở rộng ứng dụng trong xây dựng, bao gồm các lớp cách điện và thậm chí cả các cấu trúc. năm ngoái, In toàn bộ ngôi nhà 600 mét vuông Vật liệu dựa trên sinh học từ Trung tâm Cấu trúc và Vật liệu tổng hợp Tiên tiến của Đại học Maine. Vừa qua, dự án đã đạt được “Giải thưởng Sức mạnh toàn diện” CAMX.

Hãy để nền sản xuất tiên tiến bước vào lĩnh vực này

Mục tiêu tổng thể của MDF là đưa các giải pháp sản xuất từ ​​phòng thí nghiệm đến hiện trường, cho phép các cộng tác viên trong ngành được hưởng lợi và nâng cao công nghệ tiên tiến. MDF làm việc với các nhà sản xuất theo hai cách chính: các chương trình nghiên cứu lớn hơn hoặc hợp tác kỹ thuật quy mô nhỏ hơn. Các dự án lớn trải qua một quá trình cạnh tranh trong đó các nhà sản xuất gửi đề xuất để đáp lại các thông báo như Thông báo Cơ hội Tài trợ của DOE (FOA). Những điều này có thể mất 6-12 tháng để có được và có nguy cơ dự án sẽ được trao cho người khác.

Thông thường hơn, các đối tác trong ngành Sử dụng MDF trực tiếp Giải quyết các vấn đề sản xuất cụ thể bằng cách ký kết Thỏa thuận hợp tác nghiên cứu và phát triển (CRADA). Theo CRADA, nghiên cứu có thể bắt đầu nhanh hơn, cho phép các đối tác trong ngành bắt đầu thu thập dữ liệu cần thiết để thương mại hóa sản phẩm hoặc chứng minh cho các dự án nghiên cứu lớn hơn.Các công ty quan tâm đến việc giải quyết các vấn đề bền vững trong sản xuất được khuyến khích liên hệ Tập đoàn Công nghệ Sản xuất Bền vững trực tiếp.



[ad_2]

Source link

Click to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *