Uma equipa que inclui investigadores da Penn State University imprimiu recentemente um componente de turbina feito de cerâmica que é mais resistente ao calor do que os metais convencionais. O componente resultante tem propriedades de arrefecimento interno complexas que lhe permitem suportar temperaturas mais elevadas, aumentando a eficiência do combustível.
A equipa apresentará os seus métodos e resultados na Conferência e Exposição Técnica de Turbomáquinas ASME 2023, que terá lugar de 26 a 30 de junho em Boston. O seu trabalho será publicado nos anais da conferência e também foi recomendado para publicação no ASME Journal of Turbomachinery.
“Existe uma quantidade razoável de investigação sobre materiais cerâmicos para turbinas a gás, mas não muita, que tenha gerado peças com formas realistas porque o fabrico é muito difícil”, disse o coautor do artigo Stephen Lynch, professor associado de engenharia mecânica na Penn State. “Este processo foi único na medida em que conseguimos gerar peças com formas complexas de forma muito fácil e muito barata”.
Os investigadores utilizaram a otimização do design e uma nova técnica de impressão 3D para imprimir lâminas mais resistentes ao calor a partir de um material cerâmico derivado de polímeros.
“Trabalhámos com colaboradores da Colorado School of Mines e da Universidade de Wyoming que tinham incorporado fibras cerâmicas em cerâmicas impressas aditivamente”, disse Lynch, explicando que estas cerâmicas derivadas de polímeros são criadas através da queima de uma base semelhante a plástico num forno. “Adaptámos isso para criar estes aerofólios de turbina, mas também aproveitámos a liberdade de conceção do fabrico aditivo para criar características internas que melhoram drasticamente a eficácia do ar de arrefecimento no interior da pá.”
Através da impressão 3D e da utilização de cerâmicas derivadas de polímeros, os investigadores conseguiram criar as formas necessárias para uma maior resistência ao calor e um bom desempenho nas turbinas a gás.
“Descobrimos que, com o design certo para a peça, a forma de aerofólio de cerâmica que imprimimos em 3D pode ter um desempenho tão bom quanto os componentes de metal”, disse Lynch. “A nossa esperança é que esta tecnologia possa ser utilizada para desenvolver peças cerâmicas com um desempenho semelhante ao das peças metálicas em motores de turbinas a gás, mas que possam tolerar temperaturas mais elevadas para uma maior eficiência de combustível”.
Os outros autores deste artigo foram Andrew Fox, estudante de pós-graduação em engenharia mecânica na Penn State; Jason Young e Carl Frick da Colorado School of Mines; e Jennifer Hankins, Kyle Kuhn, Stephan Brinckmann e Ray Fertig III da Universidade de Wyoming. Michael Hickner, Craig A. Rogerson Endowed Professor na Faculdade de Engenharia da Universidade do Estado do Michigan e atualmente professor de ciência e engenharia de materiais, de engenharia química e de química na Penn State na altura da investigação, também contribuiu para o projeto.