4D-печать превращает плоский лист в лопасть: лёгкие ветрогенераторы без сложных пресс-форм

Вертикально-осевые турбины всё чаще устанавливают на зданиях и в городской среде, однако их криволинейные лопасти обычно требуют специализированной формовки с использованием сложных пресс-форм. Такие формы увеличивают стоимость, время производства и массу конечного изделия. Чтобы преодолеть это ограничение, авторы разработали принципиально новый «обратный» метод проектирования.

Вместо того чтобы задавать укладку и ориентацию слоёв углеволокна и смотреть, какая форма получится, учёные отталкивались от желаемой геометрии лопасти и рассчитывали, как именно нужно расположить и сориентировать слои, чтобы добиться именно такой кривизны. Такой подход позволил впервые перейти от готовой формы к структуре материала, а не наоборот.

Сам процесс основан на том, что плоские ламинаты из углеродного волокна и эпоксидной смолы отверждаются, а затем при охлаждении самопроизвольно изгибаются в расчётную криволинейную форму. Это становится возможным благодаря точно спроектированной разнице термических и механических свойств между слоями композита.

Полученные лопасти практически полностью воспроизвели форму промышленных алюминиевых аналогов, но оказались на 80% легче. В лабораторных испытаниях турбины с композитными лопастями вращались быстрее, чем с алюминиевыми. Новая технология способна снизить производственные расходы и расширить применение лёгких композитных конструкций в возобновляемой энергетике и других инженерных областях.