Właściwości cieplne materiałów izolacyjnych wykonanych w technologii druku 3D – wpływ optymalizacji struktury opartej na modelu piany Kelvina

• Autorzy: Piwowar Anna , Anwajler Beata , Szulc Piotr

Warianty tytułu

EN

Thermal properties of insulating materials manufactured with 3d printing technology – impact of optimization of structure based on Kelvin foam model

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem pracy było zbadanie właściwości cieplnych prototypowego kompozytu komórkowego. Materiał badawczy posiadał złożoną strukturę wewnętrzną opartą na modelu piany Kelvina, wykonaną w technologii przyrostowej stereolitografii (SLA) i selektywnego spiekania laserowego (SLS). Przeprowadzono badania eksperymentalne, na podstawie których wyznaczono współczynnik przewodzenia ciepła oraz opór cieplny kompozytu w zależności od rodzaju tworzywa użytego do jego druku 3D oraz liczby warstw w jego konstrukcji. Przeanalizowano próbki wykonane z różnego typu żywic termoutwardzalnych, charakteryzujących się różnymi wartościami współczynnika emisyjności. Współczynnik ten jest silnie związany z przepuszczalnością, refleksyjnością oraz absorpcyjnością użytych materiałów. Właściwości cieplne oznaczono dla jedno-, dwu-, i trójwarstwowych kompozytów. Wykazano, że zarówno rodzaj materiału oraz liczba warstw kompozytu, mają znaczący wpływ na jego właściwości termoizolacyjne. Określono optymalne parametry prototypowej izolacji wykorzystując wielokryterialną analizę ANOVA. Z analizy przeprowadzonych badań wynika, że najmniejsza uzyskana wartość współczynnika przewodzenia ciepła to 0,0250 W/(m·K), oraz największa wartość oporu cieplnego to 0,7926 (m2·K)/W. Obie wartości otrzymano dla metalizowanego, trójwarstwowego kompozytu komórkowego, co wskazuje na duży potencjał zastosowania prototypowego kompozytu na potrzeby termoizolacji.

EN

The purpose of this study was to investigate the thermal properties of a prototype cellular composite. The test material had a complex internal structure based on the Kelvin foam model, made by additive stereolithography (SLA) and selective laser sintering (SLS) technologies. Experimental studies were carried out to determine the thermal conductivity coefficient and thermal resiStance of the composite depending on the type of material used for its 3D printing and the number of layers in its structure. Samples made of different types of thermosetting resins, characterized by different values of emissivity coefficient, were analyzed. This coefficient is ' strongly related-to the transmittance, reflectivity and absorptivity of the materials used. Thermal properties were determined for one-, two-, and three-layer composites. It was proved that both the type of material and the number of layers of the composite, have a significant effect on its thermal insulating properties. The optimal parameters of the prototype insulation were determined using multi-criteria AN OVA analysis. The analysis of the study shows that the smallest thermal conductivity value obtained is 0.0250 W/(m-K), and the highest thermal resistance value is 0.7926 (mz-KMW. Both values were obtained for the metallized, three-layer cellular Composite, indicating the great potential of using the prototype composite for thermal insulation.

Słowa kluczowe

PL

izolacja cieplna; izolacje komórkowe; komórka Kelvina; tereolitografia (SLA); selektywne spiekanie laserowe (SLS)

EN

thermal insulation; cellular insulation; Kelvin cell; stereolithography (SLA); selective laser sintering (SLS)

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2024
• Tom: Nr 1
• Strony: 60--68
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., rys., tab

Twórcy

autor

Piwowar Anna

• Politechnika Wrocławska

autor

Anwajler Beata

• Politechnika Wrocławska

autor

Szulc Piotr

• Politechnika Wrocławska

Bibliografia

• [1] Aditya L. Mahlia T. M I ,Rismanchi B.,Ng H. M., Hasan M. H. Metselaar H. S.C.,Muraza O., Aditiya H. B: . A review on insulation materials for energy conservation in buildings. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, nr 73, str. 1352-1365.
• [2] Anwajler B.: The thermal properties of a prototype insulation with a gyroid structure — optimization of the structure of a cellular composite made using SLS printing technology. Materials, 2022, nr 15(4).
• [3] Anwajler B., Piwowar A.: Bioniczny kompozyt komórkowy o właściwościach izolacyjnych wykonany _ wtechnologii addytywnej SLS. Izolacje, 2023, nr'28(1), str. 116-123. _
• [4] Anwajler B., Spychaj R, Wójcik P. Piwowar A.: Doświadczalne wyznaczenie właściwości cieplnych prototypowych materiałów izolacyjnych wykonanych technologią druku 3D. Rynek Energii, 2021, nr 6, str. 44-51.
• [5] Anwajler B., Szkudlarek M.: Właściwości cieplne materiałów o strukturze TPMS wykonanych w technologii druku addytywnego SLS. Rynek Energii, 2023, nr 1, str. 11-20.
• [6] Barreira E., Almeida R.M.S.F., Simóes M.L.: Emissivity of Building Materials for Infrared Measurements. Sensors, 2021, nr 21(6).
• [7] Brennan-Craddock ] .P.J., Bingham G.A., Hague R.J.M., Wildman R.D.: Impact Absorbent Rapid Manufactured Structures (IARMS). International Solid Freeform Fabrication Symposium, 2018.
• [8] Camacho D.D., Clayton P., O'Brien W., Ferron R., Juenger M., Salamone S., Seepersad C.: Applications of additive manufacturing in the construction industry ~ a forward-looking review. Taipei, 2017.
• [9] Carstensen J.V., Ganobjak M.: Topology-optimized design of building component with improved thermal and stiffness properties. Boston, 2018.
• [10] Cengel Y.A.: Heat transfer: a practical approach. Wyd. 2, McGraw Hill, 2002.
• [11] D’Aprile P., Engel H., van Gendt G., Helrncke S., Hieronirnus S., Nauclér T., Pinner D., Walter D., Witteveen M.: Net-Zero Europe: decarbonization pathways and socioeconomic implications. McKinsey and Company, New York, 2020.
• [12] de Rubeis T.: 3D—printed blocks: thermal performance analysis and opportunities for insulating materials. Sustainability, 2022, nr 14(3).
• [13]de Rubeis T., Ciccozzi A., Giusti L., Ambrosini, D.: The 3D printing potential for heat flow optimization: influence of block geometries on heat transfer processes. Sustainability, 2022,nr 14(23)
• [14]de Rubeis, T. C,iccozzi A.,Pasqualoni G, Paoletti D.,Ambrosini D. On the use of waste materials for thermal improvement of 3D-printed block- an experimental comparison. Buildings, 2023,nr 13(5).
• [15] Dodziuk H.: Druk 3D/AM: Zastosowania oraz skutki społeczne 1 gospodarcze. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2019.
• [16] Furmański P., Wiśniewski T.S., Banaszek J.: Izolacje cieplne: mechanizmy wymiany ciepła, właściwości cieplne i ich pomiary. Instytut Techniki Cieplnej— Politechnika Warszawska, Warszawa, 2006.
• [17] Geyer R. Jambeck J., Law K. L.: Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances, 2017, nr 3(7).
• [18] Górzyński J. Przemysłowe izolacje cieplne. Wydawnictwo Sorus, Poznań, 1996.
• [19] Grabowska B.,Kasperski J.: Modeling of thermal properties of thermal insulation layered with transparent, opaque and reflective film. Journal of Thermal Science, 2018,nr 27, str. 463-469.
• [20] Grabowska B., Kasperski J.: The thermal conductivity of 3D printed plastic insulation materials - the effect of . optimizing the regular structure of closures. Materials, 2020,nr 13(19).
• [21] Grabowska B.: Materiały termoizolacyjne —— wybrane aspekty bioinspiracji w klimatyzacji i chłodnictwie. Chłodnictwo & Klimatyzacja, 2017, nr 10/2017, s. 60-63.
• [22] Grabowska B., Wiśniewski K., Bawolski K.: Propozycja materiału termoizolacyjnego inspirowanego naturą w technologii druku 3D. Chłodnictwo & Klimatyzacja, 1019/2020, nr 12/2019 - 01/2020, str. 60—63.
• [23] Hu F., Wu S., Sun Y.: Hollow-structured materials for thermal insulation. Advanced Materials, 2018, nr 38.
• [24] Islam S., Bhat G., Sikdar P.: Thermal and acoustic performance evaluation of 3D-printable PLA materials. Journal of Building Engineering, 2023, nr 67.
• [25] ISO 9869-lz2014 Thermal insulation — Building elements — In—situ measurement of thermal resistance and thermal transmittance - Part 1: Heat flow meter method.
• [26] Javaid M., Haleem A., Singh R.P., Suman R., Rab S.: Role of additive manufacturing applications towards environmental sustainability. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research, 2021, nr 4, str. 312-322.
• [27] Kafle A., Luis E., Silwal R., Pan H.M., Shrestha P.L., Bastola A.K.: 3D/4D printing of polymers: fused deposition modelling (EDM), selective laser sintering (SLS), and stereolithography (SLA). Polymers, 2021, nr 13(18).
• [28] Kamau—Devers K., Yanez V.R., Medina Peralta V.W., Miller S.A.: Using internal micro-scale architectures from additive manufacturing to increase material efficiency. Journal of Cleaner Production, 2021, nr 291(12).
• [29] Kumar D., Morshed A., Zou P.X.W, Sanj ayan J.G., Memon R.A.: Comparative analysis of building insulation material properties and performance. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020, nr 131(7).
• [30] Lu T.J., Stone, H.A., Ashby M.F .: Heat transfer in open-cell metal foams. Acta Materialia, 1998,nr 46(10), str. 3619-3635. _
• [31] Malik A., Ul Haq M.I., Raina A., Gupta K.: 3D printing towards implementing Industry 4.0: sustainability aspects, barriers and challenges. Industrial Robot: the international journal of robotics research and application, 2022, nr 49(3), str. 491-511.
• [32] Perez M., Carou D., Rubio E.M., Teti, R.: Current advances in additive manufacturing. Procedia CIRP, 2020, nr 88, str. 439-444.
• [33] Reimer K.: Skandal z pianą, czyli Afrodyta topologiczna. Delta, 2015, nr 10.
• [34] Santoni A., Bonfiglio P., Fausti P., Marescotti C., Mazzanti V., Mollica F., Pompoli F.: Improving the sound absorption performance of sustainable thermal insulation materials: Natural hemp fibres. Applied Acoustics, 2019, nr 150, str. 279—28
• [35] Sarakinioti M. V, Konstantinou T., Turrin M. ,Tenpierik M. J., Loonen R.C. G. M., de Klijn—Chevalerias M. L, ' Knaack U: Development and prototyping of an integrated 3D-printed facade for thermal regulation in complex geometries. Journal of Facade Design and Engineering, 2018, nr 6(2), str. 29-40
• [36] Shanmugam V, Das O.,Neisiany R. E. Babu K, Singh S.,Hedenqvist M. S., Berto F., Ramakrishna S.: Polymer recycling in additive manufacturing. an opportunity. Materials Circular Economy, 2020, nr 2(11).
• [37] Weaire D.“ KelVin's foam structure: a cOmmentary. Philosophical Magazine Letters, 2008, nr 88(2), str. 91-102.
• [38] Zakari A. Khan I., Tan D. Alvarado R. ,Dagar V. Energy efficiency and sustainable development goals ' ' (SDGs). Energy, 2022 nr239. '
• [39] Zhao H. Cellular materials under impact loading. Lecture notes 12, Centre of Excellence for Advanced Materials and Structures, Warszawa, 2004.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).