Realizzazione di uno stampo per turbina eolica

Turbina microeolica ad asse verticale con le 3 pale in evidenza.

Fig. 1: Turbina microeolica ad asse verticale con le 3 pale in evidenza.

Questo studio si pone l’obbiettivo di sviluppare soluzioni tecniche in grado di migliorare le prestazioni di turbine microeoliche ad asse verticale utilizzate nella produzione di energia elettrica. In particolare si propone di sostituire le leghe metalliche con cui sono solitamente realizzate le parti rotanti con i più leggeri compositi a fibra di carbonio, al fine di ridurre il più possibile le masse in movimento. La minore inerzia della girante porta ad incrementare in modo significativo le performance generali della turbina dato che riduce la velocità minima del vento necessaria ad avviare il sistema e produrre energia. Abbassare questa velocità, cosiddetta di cut-in, sotto i 3 m/s consente di estendere il range di ventosità attiva, ossia il periodo di funzionamento, incrementando l’efficienza complessiva dell’impianto. Ma permette anche di ampliare le location adatte all’installazione delle microturbine, includendo, ad esempio, le città. In aggiunta a tutto questo, la diminuzione nel peso della turbina comporta sicuri benefici in termini di minori vibrazioni e riduzioni del rumore.

In questo articolo sarà descritta la procedura utilizzata per realizzare stampo e pala di un turbina microeolica ad asse verticale (fig. 1). Per lo stampo si è utilizzata una resina vinilestere con fibra di vetro. Attraverso questo stampo è stata realizzata, sempre con la stessa fibra di vetro, una prima pala prototipale. Mentre per la pala definitiva sarà preferita una resina epossidica rinforzata da fibra di carbonio.

CatturaFibre di vetro
La fibra di vetro, il primo dei materiali che incontriamo in questo studio, rappresenta la tipologia di rinforzo più diffuso. Riesce ad offrire ai compositi una buona resistenza pur mantenendo i costi abbastanza contenuti. Rappresenta una ottima soluzione nel caso della realizzazione degli stampi dove non sussistono particolari esigenze di leggerezza o resistenza.

È noto che il vetro monolitico è un materiale fragile, ma se viene filato a diametri d’ordine inferiore al decimo di millimetro, perde la sua caratteristica fragilità per divenire un materiale ad elevata resistenza meccanica e resilienza. Infatti la fragilità del vetro comune è dovuta al gran numero di difetti della cristallizzazione che agiscono come microfratture e zone di concentrazione degli sforzi. Al contrario, la fibra di vetro non presenta tutti questi difetti, per cui raggiunge resistenze meccaniche prossime alla resistenza teorica del legame covalente. Questo materiale composito, conosciuto comunemente come vetroresina, è disponibile in una infinità di versioni (Tabella 1).

Fibre di carbonio
La fibra di carbonio è stata introdotta alla fine degli anni ‘60 dall’industria aerospaziale che richiedeva compositi con meccaniche elevate, accettando di pagare anche costi maggiori. Sono costituite al 99,9 % da carbonio grafitico chimicamente puro, avente una struttura cristallina esagonale imperfetta in cui i cristalli sono disposti in piani paralleli fra loro. Le proprietà meccaniche scarse del carbonio sono migliorate riducendo i difetti nei piani cristallini tramite un forte riscaldamento del materiale di partenza attorno ai 2000-3000 °C. Grazie a questo riscaldamento (detto pirolisi), realizzato in totale assenza di ossigeno, il materiale subisce la scissione dei legami chimici originari con formazione di molecole più semplici. I filamenti prodotti hanno diametri fra i 5 ed i 12 micron ed è quindi molto difficile maneggiarli per processarli in tessuti, per questo vengono riuniti in fasci di 1.000-16.000 filamenti. Le fibre di carbonio sono classificate in base alle proprietà meccaniche. Il 90 % delle fibre oggi utilizzate, classificate come HTS (High Tensile strength), hanno altissimi proprietà meccaniche: resistenza superiore ai 4.000 MPa, modulo E sui 250 GPa e allungamento a rottura attorno a 1,5-1,9 %. In commercio si trovano fibre corte (macinate 0.03-3 mm, tagliate 6 mm, tagliate lunghe 10.15 mm) oppure fibre continue (sotto forma di tappeti, nastri, ecc.). Al di là della lunghezza scelta per la fibra, il carbonio rappresenta il materiale perfetto per la girante perché consente una elevata resistenza a pesi contenuti.

Fig. 2: Stampo per la pala della turbina microeolica (cortesia Style Form).

Fig. 2: Stampo per la pala della turbina microeolica (cortesia Style Form).

Matrici
Le matrici dei materiali compositi sono tipicamente costituite da resine termoindurenti (poliestere, fenoliche, epossidiche, poliammidiche) oppure da polimeri termoplastici (PEEK e altri). Le resine termoindurenti, molto diffuse e comunemente utilizzate, sono caratterizzate da una bassa viscosità a temperatura ambiente che facilita il processo di impregnazione delle fibre e non richiede particolari apparecchiature di lavorazione. Inoltre, una volta reticolate le termoindurenti garantiscono una buona resistenza agli agenti chimici e, non da ultimo, sono spesso meno costose rispetto alle termoplastiche. Tuttavia esistono anche alcuni aspetti negativi, quali la modesta temperatura di esercizio, il comportamento tendenzialmente “fragile” (scarsa tenacità a frattura), la difficoltà nel riciclo del materiale. Nella tabella 2 sono elencate le principali proprietà meccaniche di alcune matrici polimeriche.

Tra le altre resine, le epossidiche vengono comunemente impiegate nella realizzazione di compositi ad elevate prestazioni in virtù, oltre che della già citata leggerezza, della buona resistenza all’umidità e agli agenti chimici, delle ottime proprietà adesive e della temperatura massima di esercizio discretamente elevata (180 °C circa).

Fig. 3: Apertura dello stampo.

Fig. 3: Apertura dello stampo.

Lay-up manuale
Lo stampo in vetroresina è stato realizzato con una tecnica denominata lay-up manuale, la più “vecchia e semplice” per costruire pezzi in composito. Tutto parte da un modello, di solito in legno o plastica, che rispecchia la geometria e la finitura superficiale da imprimere sullo stampo. In successione, si esegue:
1 applicazione distaccante (cere, resine, fogli di materiale plastico, teflon);
2 applicazione gelcoat (un riempitivo che fornisce la finitura esterna del prodotto); 3 disposizione della fibra (di solito in tessuti);
4 deposizione della resina ed impregnazione (tramite pennelli e rulli);
5 rullatura per eliminare aria ed aumentare la compattazione;
6 applicazione dell’eventuale rinforzo;
7 ripetizione delle precendenti fasi fino al raggiungimento dello spessore desiderato;
8 polimerizzazione a temperatura ambiente, i tempi sono dipendenti dal catalizzatore;
9 estrazione del modello;
10 essiccazione dello stampo.

Tutti i passaggi sono eseguiti a mano da un operatore, ed il risultato finale dipende molto dall’esperienza e dalla precisione con cui si esegue il lavoro. Con tale tecnica si ottiene una percentuale di fibra dell’ordine del 25-30%. Il costo del processo è relativamente ridotto.

Stampo in vetroresina
Mediante il lay-up manuale è stato possibile realizzare in nostro stampo con una unica fase di lavorazione. Anche se indicato sempre come un singolo stampo, si tratta più precisamente di due semistampi, pensati per realizzare i due semiguscio che andranno a costituire la pala, ed in grado di accoppiarsi perfettamente tra loro. Come resina si è utilizzata una resina vinilestere da stampi, che polimerizza a temperatura ambiente. La fibra di vetro è stata inserita sotto forma di un tessuto costituito da fibre corte, tra i 2,5 e i 5 cm, disposte in maniera casuale, ma non intrecciate fra loro (chopped strand mat).

Quale distaccante si è scelta una cera MGH 16. Nella figura 2 si può notare lo stampo chiuso, con i suoi rinforzi metallici: un telaio in acciaio saldato, inserito dentro lo stampo al momento della stratificazione. Nella figura 3 è mostrata la fase di apertura dello stampo ed estrazione del prototipo in vetroresina. Nella figura 4 sono mostrate le parti interne dello stampo, quella che entrano a contatto con la pala della turbina e che presentano una finitura superficiale liscia ed uniforme. Il colore nero è dato dal tipo di resina utilizzata (gelcoat), anche in questo caso un vinilestere per stampi.

Fig. 4: Dettaglio dei semigusci dello stampo.

Fig. 4: Dettaglio dei semigusci dello stampo.

Prototipo in vetroresina
Prima del suo utilizzo in autoclave, le funzionalità dello stampo sono state messe alla prova attraverso la realizzazione di un primo prototipo. A differenza di quella definitiva, questa pala è stata prodotta anch’essa in vetroresina, come lo stampo, realizzata presso la stessa azienda e con il medesimo processo produttivo (lay-up manuale). Questa semplificazione ha consentito di arrivare in modo rapido ed economico ad un primo componente adatto ai test funzionali e di processo. Ad esempio, attraverso la scansione laser delle superfici è stato possibile comparazione le geometrie con i modello CAD ideali e verificarne la congruità dimensionale. In figura 3 è visibile, in particolare, l’estrazione dallo stampo dei due semigusci formanti il prototipo, che è mostrato nel dettaglio nella immagine di figura 4. I due semigusci differiscono solo per la presenza del collegamento della pala alla girante della turbina, predisposto in fase di progetto. Unendo i semigusci si è ottenuto questo primo prototipo in vetroresina (figura 8) che differisce da quello in fibra di carbonio per leggerezza e resistenza, ma non per funzionalità.

Fig 5A, autoclave bisFormatura in autoclave
A differenza dello stampo e del prototipo, la pala definitiva è stato realizzata in fibra di carbonio al fine di cercarne la massima leggerezza e resistenza. Per questo tipo di composito, la tecnica di formatura è completamente diversa, è prevede un passaggio in autoclave.

Fibra di carbonio e resina sono “stratificati” sullo stampo fino a raggiungere gli spessori desiderati, secondo una tecnica poco diversa da quella utilizzata per la realizzazione dello stampo. Il tutto è chiuso dentro un sacco a vuoto ed inserito in autoclave (figura 5 e 6), dove pressione e temperatura sono fatte progressivamente aumentare. In autoclave si raggiungono temperature superiori ai 140° e pressioni dell’ordine dei 5-15 bar (figura 7). Questo trattamento termo-meccanico garantisce una maggiore compattazione delle fibre, grazie ad una minore presenza di vuoti e porosità, aumentando di conseguenza il rapporto fibra/matrice. Ma la pressione, dovunque uniforme, accompagna anche gli scorrimenti delle lamine le une sulle altre. In questo modo si ottiene una ottima finitura superficiale del lato rivolto verso lo stampo ed uno spessore del laminato pressoché costante. In conclusione, con il processo di formatura in autoclave si possono raggiungere elevati rapporti fibra/resina, fino al 70%, circostanza che rende estremamente leggeri e performanti i materiali compositi così realizzati.

Fig. 5: Esempio di autoclave da 10 bar e 250°C (cortesia Magnabosco).

Fig. 5: Esempio di autoclave da 10 bar e 250°C (cortesia Magnabosco).

Dettagli di processo
Ma torniamo indietro alla fase di preparazione e descriviamo meglio il processo. L’uso di sacchi è indispensabile per separare la parte in pressione da quella in depressione: si tratta di solito di sacchi in nylon ad elevata deformabilità (fino al 400 %), elevata resistenza a trazione e termica, arrivando a resistere anche a temperature di circa 200°C. Per sigillare i sacchi si usano nastri sigillanti (in gomma sintetica) che devono resistere anch’essi alle stesse temperature senza far trafilare aria: se ciò succedesse, il pezzo sarebbe irrimediabilmente deteriorato. Si utilizzano materiali traspiranti per facilitare l’estrazione dell’aria, dei solventi e delle sostanze volatili dal laminato. Sono elementi essenziali che consentono di realizzare il vuoto, infatti devono permettere di mantenere l’evacuazione dell’aria anche alle pressioni e temperature di cura, in più assorbono l’eccesso di resina. Nei casi in cui l’eccesso di resina sia notevole, si utilizzano appositi tessuti chiamati materiali assorbenti (bleeder). Di estrema importanza sono i distaccanti che consentono al laminato di separarsi dallo stampo o dal tessuto aeratore, lasciando una buona finitura superficiale. Una volta preparato il sacco attorno allo stampo, il tutto viene inserito in autoclave, si collega il condotto del vuoto e l’eventuale termocoppia per il monitoraggio del processo.

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Fig. 6: Esempio di struttura di autoclave e del posizionamento dello stampo (cortesia ing. L. Donati). Fig. 7: Esempio di un ciclo di cura in autoclave.

Polimerizzazione
Il ciclo di cura in autoclave viene avviato e la risultante polimerizzazione sarà fortemente influenzata dal tipo di ciclo termico e di pressione utilizzato. La combinazione di temperatura e pressione è fondamentale in quanto da essa dipende la viscosità della resina, in funzione del grado di polimerizzazione. Inizialmente la resina è molto viscosa ma all’aumentare della temperatura diventa fluida: questo consente di compattare adeguatamente le fibre e riempire con la resina tutti gli interstizi; parallelamente tutta l’aria e i gas prodotti dalla reazione devono essere completamente estratti dal manufatto. Quando la temperatura raggiunge un valore sufficientemente elevato (80-100°C) la polimerizzazione inizia ad accelerare notevolmente rendendo la resina nuovamente viscosa. In tale fase tutta l’aria e i gas devono essere stati completamente estratti dal manufatto.

A seguito del mantenimento della temperatura di cura (100-150°C) la resina gelifica. Se il materiale composito di partenza ha un eccesso di resina (impregnato manuale o pre-impregnato con abbondanza di resina) è opportuno che la pressione venga applicata prima del raggiungimento della temperatura di mantenimento; se il materiale ha invece una ridotta percentuale di resina (compositi per alte compattazioni) è opportuno che la pressione raggiunga il suo massimo contemporaneamente o dopo il raggiungimento della temperatura di mantenimento.

Ripetibilità del processo
Anche se il processo di formatura in autoclave risulta molto laborioso nelle fasi di laminazione delle pelli e nella preparazione del sacco, dove l’apporto dell’operatore è fondamentale, durante il ciclo in autoclave invece il processo risulta estremamente standardizzato e facilmente ripetibile. Da tutto quanto detto, si capisce come la formatura in autoclave sia utilizzata per produrre componenti con prestazioni spinte o ad alto valore, di dimensioni e numerosità non eccessive.

Fig. 8: Prototipo di pala in vetroresina.

Fig. 8: Prototipo di pala in vetroresina.

Stampi per autoclave
In termini generali, gli stampi utilizzati in autoclave. possono essere costruiti in vari materiali a seconda del tipo di produzione da realizzare:

  • Stampi in alluminio o acciaio: utilizzati per produrre più di 100 pezzi, consentono ottime finiture superficiali e l’uso di distaccanti liquidi molto semplici da applicare; richiedono spesso lavorazioni esterne per essere realizzati (macchina utensile) e quindi i costi sono elevati; i coefficienti di dilatazione termica, differenti fra metalli e compositi, possono portare a tensioni residue nei pezzi oppure, addirittura, alla rottura del pezzo in fase di raffreddamento.
  • Stampi in composito: realizzati direttamente sulla base di un modello in legno o resina per modelli (ottime finiture quando lavorata alle macchine utensili); si possono produrre ad un costo più contenuto, direttamente all’interno dell’azienda e dal punto di vista di processo hanno gli stessi coefficienti di dilatazione dei pezzi da produrre.

Nella formatura in autoclave, lo stampo, concavo o convesso, è costituito da un solo pezzo. L’altra superficie del pezzo resta delimitata dal sacco. Per la realizzazione della pala in fibra di carbonio è stato utilizzato lo stesso stampo impiegato per il prototipo in vetroresina, previa verifiche di resistenza dei semigusci che lo compongono alle temperature e alle pressione previste in autoclave.

Fasi di realizzazione
La sequenza di produzione in autoclave consiste nelle fasi di:

  1. pulitura dello stampo;
  2. applicazione del distaccante;
  3. applicazione del gelcoat;
  4. stratificazione del pre-impregnato fino al raggiungimento dello spessore desiderato;
  5. installazione del sistema a vuoto (sacco, tubi di aspirazione, materiali traspiranti e bleeder);
  6. ciclo di cura in autoclave;
  7. estrazione del pezzo.

La pala è a contatto con la superficie dello stampo solo su una faccia, quindi solo quella faccia avrà una finitura superficiale controllata alla fine del processo, ma questo non costituisce un problema perché la parte con scarsa finitura superficiale andrà a costituire l’interno della pala della turbina, la quale non è in vista e non ha esigenze particolari.

Fig. 9: Render 3D di pala in fibra di carbonio (cortesia Aurea Servizi).

Fig. 9: Render 3D di pala in fibra di carbonio (cortesia Aurea Servizi).

Pala per turbina
Per la creazione della pala finale si utilizza un tessuto di fibra di carbonio pre-impregnato in resina epossidica (figura 9). La fibra di carbonio, che ha come riferimento il codice GG 200 P, è un tessuto plain con grammatura pari a 200 g/m2 e spessore do 0.2 mm. Queste fibre sono tra i rinforzi più comuni per la realizzazione di compositi destinati ad applicazioni dove siano richieste rilevanti prestazioni meccaniche. Presentano un alto modulo di elasticità ed elevata resistenza a trazione, nonché una elevata resistenza alle alte temperature. Sono inoltre chimicamente resistenti a qualsiasi agente chimico e non subiscono fenomeni di invecchiamento. Per questo rappresentano la scelta ideale quali materiali per le pale della nostra turbina eolica.

Riferimenti
Tutte le lavorazioni sono state realizzate è avvenuta presso Style-Form di Dovadola (FC), una azienda che opera nel settore dello stampaggio, sia manuale che ad iniezione, dei materiali compositi per il settore nautico e industriale. Le fasi di controllo di qualità sono state realizzate presso Aurea Servizi di Pesaro.

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