La stampa 4D permette di produrre pale leggere per turbine eoliche ad asse verticale
Dai pannelli piani in fibra di carbonio a una pala curva
Un gruppo di ricercatori della Concordia University, in Canada, ha sviluppato un metodo per fabbricare pale curve destinate alle turbine eoliche ad asse verticale partendo da pannelli piani in materiale composito. Il processo sfrutta una tecnica definita stampa 4D dei compositi, o 4D Printing of Composites, attraverso la quale la forma finale del componente viene programmata intervenendo sulla disposizione delle fibre e sul comportamento del materiale durante il ciclo termico di produzione.
Il lavoro è stato condotto da Emad Fakhimi, ricercatore in ingegneria meccanica, e da Suong Van Hoa, professore e direttore del Concordia Centre for Composites. La ricerca è stata sviluppata presso il Dipartimento di ingegneria meccanica, industriale e aerospaziale della Concordia University ed è stata pubblicata sulla rivista scientifica Polymer Composites.
L’obiettivo è semplificare la produzione delle pale curve impiegate nelle turbine eoliche ad asse verticale, riducendo la necessità di stampi tridimensionali complessi. Nella fabbricazione convenzionale, la geometria della pala richiede attrezzature progettate per una forma specifica. Ogni cambiamento del profilo aerodinamico può quindi comportare la costruzione di un nuovo stampo, con conseguenze sui costi, sui tempi di sviluppo e sulla flessibilità produttiva.
Il metodo studiato alla Concordia University utilizza invece uno stampo piano. Il pannello composito viene laminato, consolidato e sottoposto a un ciclo di polimerizzazione. Durante il raffreddamento, le tensioni interne programmate nella struttura provocano una deformazione controllata. Il componente passa così da una configurazione piatta alla curvatura richiesta per la pala.
Che cosa significa stampa 4D dei compositi
L’espressione stampa 4D viene impiegata per descrivere componenti progettati per modificare la propria geometria dopo la fase iniziale di fabbricazione. Alle tre dimensioni spaziali si aggiunge il tempo, inteso come periodo nel quale il materiale reagisce a uno stimolo e assume una nuova configurazione.
Lo stimolo può essere rappresentato da calore, umidità, luce, campi magnetici o variazioni delle condizioni ambientali. Nel procedimento sviluppato da Emad Fakhimi e Suong Van Hoa, la trasformazione è legata al ciclo termico e alle differenti proprietà meccaniche delle lamelle che compongono il laminato.
La tecnica non deve essere confusa con la stampa 3D tradizionale. Una stampante 3D costruisce un oggetto depositando o solidificando il materiale secondo una geometria digitale. Nel processo della Concordia University, il componente iniziale è un laminato composito piano prodotto attraverso la sovrapposizione di strati di fibra di carbonio e resina epossidica. La forma tridimensionale emerge in seguito, quando il materiale si raffredda e le tensioni residue determinano la curvatura prevista.
La denominazione stampa 4D si riferisce quindi alla capacità di incorporare nella struttura una trasformazione geometrica programmata. La precisione del risultato dipende dalla conoscenza delle proprietà del materiale, dall’orientamento delle fibre, dallo spessore degli strati, dalla sequenza di laminazione e dalle temperature raggiunte durante la produzione.
Il ruolo dell’orientamento delle fibre
I compositi in fibra di carbonio non presentano le stesse caratteristiche in tutte le direzioni. La loro resistenza e la loro rigidezza dipendono dall’orientamento delle fibre all’interno della matrice polimerica. Uno strato può sopportare carichi elevati lungo la direzione delle fibre, mentre può risultare più deformabile nelle direzioni trasversali.
Sovrapponendo strati con orientamenti differenti è possibile costruire un laminato con proprietà meccaniche definite in fase di progettazione. I ricercatori della Concordia University hanno utilizzato questa caratteristica non soltanto per garantire resistenza e rigidezza, ma anche per controllare la deformazione del pannello.
Durante la polimerizzazione e il raffreddamento, gli strati tendono a contrarsi in modo diverso. Se il laminato fosse simmetrico, molte di queste deformazioni potrebbero compensarsi. In una configurazione progettata per essere asimmetrica, le differenze generano invece momenti interni che fanno incurvare il componente.
La curvatura non viene prodotta attraverso una pressa o una macchina di formatura successiva. È il risultato della sequenza di laminazione e del comportamento termo-meccanico del materiale. La pala viene dunque progettata considerando sia la forma richiesta sia il percorso attraverso il quale il pannello piano dovrà raggiungerla.
Un metodo di progettazione inversa
Uno degli elementi centrali della ricerca è il metodo di progettazione inversa. Nei procedimenti tradizionali, gli ingegneri stabiliscono la disposizione degli strati, simulano il comportamento del laminato e osservano quale forma viene generata. Quando il risultato non coincide con la geometria desiderata, il modello deve essere modificato e calcolato di nuovo.
Emad Fakhimi e Suong Van Hoa hanno seguito il percorso opposto. Sono partiti dal profilo di una pala commerciale in alluminio e hanno calcolato quale configurazione degli strati di fibra di carbonio fosse necessaria per ottenere una geometria analoga dopo il raffreddamento.
La progettazione inversa mette quindi la forma finale al centro del processo. Il sistema deve individuare l’orientamento delle fibre, gli spessori e la sequenza di laminazione capaci di produrre quella forma attraverso la deformazione spontanea del composito.
Questo approccio richiede modelli matematici e simulazioni agli elementi finiti. È necessario prevedere il comportamento di ogni strato, le interazioni tra le lamelle, le deformazioni termiche e gli effetti prodotti dai bordi del componente. Anche le zone di sovrapposizione possono modificare la curvatura e devono essere considerate nel modello.
Il lavoro sviluppato presso la Concordia University comprende analisi teoriche, simulazioni numeriche e verifiche sperimentali. Le pale ottenute sono state confrontate con il modello commerciale in alluminio per valutare la corrispondenza della geometria.
Pale con un peso inferiore di circa l’80 per cento
Secondo i dati comunicati dalla Concordia University, le pale in composito realizzate con il procedimento pesano circa l’80 per cento in meno rispetto alle pale commerciali in alluminio utilizzate come riferimento.
Il risultato deriva dalla bassa densità del materiale composito e dalla possibilità di orientare le fibre in funzione dei carichi. L’alluminio possiede proprietà relativamente uniformi, mentre un laminato in fibra di carbonio può essere progettato per collocare la resistenza nelle direzioni in cui è necessaria.
Una riduzione della massa delle pale diminuisce il momento d’inerzia del rotore. Il sistema richiede quindi una quantità inferiore di energia per avviare la rotazione e per aumentare il proprio regime. Nei test di laboratorio, le turbine dotate delle pale in composito hanno raggiunto velocità di rotazione superiori rispetto agli esemplari equipaggiati con pale in alluminio.
Una velocità maggiore non equivale però, da sola, a una produzione elettrica superiore. Il rendimento complessivo dipende anche dalla coppia generata, dall’aerodinamica del rotore, dall’efficienza del generatore, dalla velocità del vento e dal sistema di controllo. Per quantificare il vantaggio energetico saranno quindi necessarie misurazioni del coefficiente di potenza e dell’energia prodotta in condizioni operative comparabili.
Il peso ridotto può offrire altri benefici. I carichi sugli elementi di supporto possono diminuire, il trasporto dei componenti può risultare più semplice e le operazioni di montaggio possono richiedere attrezzature meno pesanti. Tali aspetti dovranno essere valutati considerando l’intero sistema e non soltanto la singola pala.
Perché le turbine ad asse verticale sono adatte agli ambienti urbani
Nelle turbine eoliche ad asse orizzontale, il rotore deve essere orientato verso il vento. Le turbine ad asse verticale ruotano invece intorno a un asse perpendicolare al terreno e possono ricevere correnti provenienti da direzioni differenti senza un sistema di imbardata analogo a quello delle grandi turbine convenzionali.
Questa configurazione viene studiata per impianti di piccola taglia, tetti, edifici, infrastrutture e aree nelle quali la direzione del vento cambia con frequenza. In un ambiente urbano, la presenza di edifici, alberi e altri ostacoli genera flussi turbolenti e meno uniformi rispetto a quelli presenti nei grandi parchi eolici.
Le turbine ad asse verticale possono integrare il generatore nella parte inferiore della struttura, facilitando in alcune configurazioni l’accesso per la manutenzione. Presentano però anche limiti aerodinamici e strutturali. Durante ogni rotazione, le pale attraversano zone con condizioni di flusso differenti e sono sottoposte a carichi ciclici.
Uno dei fenomeni più importanti è lo stallo dinamico, che si verifica quando l’angolo con cui il flusso investe la pala cambia nel corso della rotazione. La separazione del flusso può produrre variazioni di portanza, coppia e carico. Queste oscillazioni influenzano l’efficienza e possono contribuire all’affaticamento del materiale.
La riduzione della massa può migliorare la risposta del rotore, ma non elimina questi problemi. Le pale in fibra di carbonio dovranno essere progettate per resistere a milioni di cicli, vibrazioni, raffiche e variazioni di temperatura.
Uno stampo piano per ridurre la complessità produttiva
La produzione di un componente curvo in materiale composito richiede di norma uno stampo che riproduca la superficie desiderata. Lo stampo deve mantenere precisione dimensionale, resistere alla temperatura di polimerizzazione e applicare una pressione uniforme durante il consolidamento.
Per piccoli lotti o prototipi, il costo dell’attrezzatura può incidere in misura rilevante sul costo unitario. Se ogni variante di pala richiede uno stampo dedicato, diventa più difficile modificare rapidamente la geometria o produrre modelli personalizzati.
Il procedimento della Concordia University trasferisce una parte della complessità dallo stampo al materiale e alla progettazione digitale. La superficie di produzione rimane piana, mentre la curvatura è codificata nella sequenza degli strati.
L’impiego di un’attrezzatura piana può semplificare la preparazione, la pulizia, il controllo e la sostituzione degli stampi. Può inoltre facilitare l’automazione della deposizione delle fibre, anche se lo studio non dimostra ancora una linea produttiva industriale completa.
Il vantaggio economico dovrà essere verificato attraverso un’analisi che comprenda materiali, manodopera, consumo energetico, attrezzature, scarti, tempi di polimerizzazione e controlli di qualità. La fibra di carbonio e le resine epossidiche possono avere un costo superiore rispetto all’alluminio, per cui l’eliminazione dello stampo curvo non garantisce in ogni situazione un componente più economico.
Le verifiche necessarie prima dell’impiego commerciale
I risultati mostrano la fattibilità del processo, ma non rappresentano ancora una validazione per l’uso continuativo all’aperto. Una pala eolica deve mantenere le proprie caratteristiche per periodi prolungati e in condizioni ambientali variabili.
Le verifiche dovranno riguardare la resistenza a fatica, cioè la capacità di sopportare carichi ciclici senza sviluppare cricche, delaminazioni o danni nella matrice. Sarà necessario analizzare il comportamento delle zone di collegamento tra pala e struttura, poiché i punti di fissaggio possono concentrare le sollecitazioni.
Dovranno essere studiati anche gli effetti di umidità, precipitazioni, raggi ultravioletti, gelo, calore e variazioni termiche. La resina epossidica protegge le fibre e trasferisce i carichi tra gli strati, ma può subire fenomeni di invecchiamento. Rivestimenti superficiali e sistemi di protezione potranno quindi essere necessari.
Un ulteriore aspetto riguarda la ripetibilità. Per passare dal laboratorio alla produzione, ogni pala deve raggiungere la stessa curvatura entro tolleranze definite. Piccole variazioni nello spessore, nella quantità di resina, nell’orientamento delle fibre o nella temperatura di polimerizzazione potrebbero modificare la forma finale.
Serviranno procedure di controllo dimensionale e non distruttivo per individuare vuoti, porosità, delaminazioni e deviazioni della geometria. La progettazione inversa dovrà inoltre essere collegata a un sistema produttivo capace di riprodurre con precisione la sequenza calcolata.
Il tema della riparazione e del riciclo
I compositi in fibra di carbonio offrono un rapporto elevato tra resistenza e peso, ma pongono questioni legate alla riparazione e alla gestione del fine vita. Le resine termoindurenti, una volta polimerizzate, non possono essere rifuse con la stessa facilità dei materiali termoplastici.
Sono disponibili processi meccanici, termici e chimici per recuperare le fibre, ma il materiale ottenuto può avere caratteristiche differenti da quello originale. Una valutazione ambientale completa dovrà quindi considerare la produzione della fibra di carbonio, il consumo energetico, la durata della pala e le possibilità di recupero.
Il peso ridotto può diminuire l’impiego complessivo di materiale e semplificare il trasporto, ma questi benefici devono essere confrontati con l’impatto della produzione dei compositi. La durata operativa sarà un parametro decisivo: una pala leggera che conserva le proprie prestazioni per molti anni può distribuire il suo impatto iniziale su una quantità maggiore di energia prodotta.
Anche la riparabilità dovrà essere affrontata nella fase di progettazione. Danni localizzati potrebbero essere trattati attraverso patch composite o sostituzioni di sezioni, ma la geometria ottenuta mediante tensioni residue richiede di comprendere come una riparazione possa influire sull’equilibrio interno del laminato.
Le organizzazioni coinvolte nel progetto
Il progetto è stato sviluppato dalla Concordia University attraverso il Concordia Centre for Composites, parte delle attività della Gina Cody School of Engineering and Computer Science.
I nomi associati alla ricerca sono quelli di Emad Fakhimi e Suong Van Hoa. Lo studio scientifico è stato pubblicato da Polymer Composites, rivista accademica distribuita da Wiley per la Society of Plastics Engineers.
Non sono stati comunicati nomi di aziende produttrici di turbine, fornitori di fibra di carbonio, produttori di resine o partner industriali. La pala in alluminio utilizzata come riferimento viene descritta come un prodotto commerciale, ma il produttore non è indicato nelle informazioni pubbliche disponibili. Non è quindi possibile attribuire il prototipo a una specifica impresa del settore eolico.
Le possibili applicazioni oltre il settore eolico
Il principio della deformazione programmata può essere applicato ad altri componenti compositi curvi. Settori come aerospazio, mobilità, robotica, edilizia e attrezzature industriali utilizzano strutture leggere con geometrie complesse e potrebbero beneficiare di processi capaci di limitare il numero di stampi dedicati.
Pannelli, condotti, elementi aerodinamici, strutture cilindriche e parti con curvature multiple potrebbero essere progettati partendo da laminati piani. Ogni applicazione richiederebbe comunque una valutazione specifica dei carichi, delle tolleranze e delle condizioni ambientali.
Il principale contributo del lavoro della Concordia University consiste nell’unire progettazione geometrica, comportamento termo-meccanico e fabbricazione dei compositi. La forma non viene soltanto imposta dall’attrezzatura, ma diventa una proprietà programmata nel materiale.
Per le turbine eoliche ad asse verticale, questa soluzione offre una possibile strada per produrre pale più leggere e ridurre la dipendenza da stampi curvi complessi. Le prove disponibili dimostrano la capacità di ottenere la geometria prevista e di alleggerire il rotore. La fase successiva dovrà stabilire se il processo può garantire durata, ripetibilità, costi competitivi e prestazioni energetiche misurabili in condizioni operative reali.
