Future gas turbine package design freeform wood fibre composite manufacturing

Le Moulec, Yoann (2024). Future gas turbine package design freeform wood fibre composite manufacturing. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Wood is a sustainable material widely used as a raw material and can be used as a component for composite materials. With the rise of additive manufacturing processes and especially 3D printing, wood-based composite can be used to create complex-shaped pieces that cannot be designed out of standard wood materials. In this context, this project redesigned a Siemens gas turbine (GT) package piece into a 3D printable design and developed a wood-based 3D printable composite material from Polyethylene and wood suitable for the printing of this GT package piece into a wood-based 3D printed part. The GT combustion air inlet has been chosen for the redesign because of its complex geometry. Once all the loads that can be applied to the GT combustion air inlet have been identified, a basic 3D digital model is created. This model has been used to conduct simulations to evaluate the stress applied on the structure by the loads; the simulations give a maximum pressure of 20□. In the second section, an experimental campaign is conducted to create different wood-based composite filaments with different wood % in weight. The filament is then characterized with differential scanning calorimetry analysis, thermogravimetric analysis, melt flow index measurements, and scanning electron microscope pictures. The characterizations helped to evaluate the printability of the composite and the ideal printing temperature. Afterward, tensile and density samples are printed to evaluate the mechanical properties of the different composites. A tensile test on a density sample gives a stress/strain curve that can be read to obtain the Young modulus and the maximum tensile strength of the sample, while weighting the density sample leads to the density of the printed composite. The wood-based composites with 10% and 20% wood reached respectively a maximum tensile strength of 11□ and 7□. A sustainability assessment has been conducted at the end of the study to evaluate the impact on the environment of a wood-based composite 3D printed GT combustion air inlet and compare the results with the impact of an aluminum-based GT combustion air inlet currently used by Siemens in their GT package. The sustainability showed, in particular, that the 20% wood-based composite has 44% less impact than aluminum per Kg regarding CO2 emissions.

Titre traduit

Design d’un package de turbine à gaz en matériaux composite à base de bois grâce à l’impression 3D

Résumé traduit

Le bois est un matériau écologique et est largement utilisé sous sa forme brute, cependant il peut aussi être utilisé comme composant pour la création de matériau composite. Avec l’essor ces dernières années de l’impression 3D, les matériaux composites à base de bois peuvent être utilisés pour créer des pièces complexes en termes de géométrie qui ne peuvent être créées avec du bois sous sa forme brute. Ainsi, ce projet repense une pièce de package de turbine à gaz de Siemens et développe un matériau composite imprimable en 3D à base de polyéthylène et de bois convenant pour l’impression en 3D de cette pièce. La pièce choisie pour le projet est le conduit d’entrée d’air de combustion du package, cette pièce a été choisie pour sa géométrie complexe. Une fois que toutes les charges applicables sur la pièce ont été évaluées, un modèle 3D de la pièce est créé sur SolidWorks. Le modèle est alors utilisé pour effectuer des simulations numériques afin d’évaluer l’impact des charges en termes de pression appliquées sur la structure. Les simulations donnent une pression maximale applicable sur la structure de 20□.Dans une deuxième partie, une campagne expérimentale est menée afin de créer différents filaments en matériaux composites à base de bois imprimables en 3D avec différents pourcentages de bois en termes de poids. Les filaments sont ensuite étudiés avec les techniques suivantes : analyse de calorimétrie différentielle à balayage, Analyse thermogravimétrique, mesure de l’indice de fluidité et prise de photo avec un microscope à balayage électronique. Ces techniques nous permettent alors d’avoir une idée de l’imprimabilité des filaments ainsi que leur température idéale d’impression. Après cela, différents échantillons sont imprimés en 3D afin d’évaluer les propriétés mécaniques des différents composites. Des éprouvettes de test sont imprimées afin de réaliser des tests de traction et obtenir le module de Young et la résistance maximale des éprouvettes ; et des cubes de 1□1□ avec un remplissage de 100% sont imprimés afin de mesurer la densité des composites. Les matériaux composites avec 10% et 20% de bois montrent une résistance maximale de respectivement 11□ et 7□. Enfin, une étude environnementale a été menée pour évaluer l’impact sur l’environnement de la pièce étudiée imprimée en 3D et comparer ces résultats avec l’impact sur l’environnement de la pièce actuelle utilisée par Siemens composée d’aluminium. Cette étude a montré en particulier que le matériau composite possédant 20% de bois a un impact 44% moins important en termes d’émissions de CO2 par Kg que l’aluminium.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in aerospace engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 85-88).
Mots-clés libres:	turbine à gaz, matériaux composites, bois, fabrication additive, impression 3D
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Hof, Lucas
Codirecteur:	Codirecteur Demarquette, Nicole R.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	14 mai 2024 14:14
Dernière modification:	14 mai 2024 14:14
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3445

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