Additively Manufactured Rectilinear Infilled Carbon-Fibre-Reinforced Polyamide Composite Architectures for Next-Generation Lightweight Wind Turbine Blades

L'energia eolica rappresenta una pietra miliare della transizione globale verso l'energia pulita, offrendo un modo per generare elettricità senza l'inquinamento associato alla combustione dei combustibili fossili. Al cuore di ogni turbina eolica ci sono le sue pale, le massicce strutture che catturano il vento e lo trasformano in movimento. Affinché queste macchine funzionino in modo efficiente, specialmente man mano che diventano più grandi per catturare più energia, le pale devono essere incredibilmente resistenti ma anche notevolmente leggere. Se sono troppo pesanti, le turbine faticano a ruotare; se non sono abbastanza resistenti, rischiano di rompersi sotto la pressione implacabile del vento. Tradizionalmente, la produzione di queste pale prevede l'uso di stampi complessi e strati di materiali pesanti, un processo che può essere dispendioso e poco flessibile. Recentemente, un metodo noto come produzione additiva, o stampa 3D, è emerso come una potenziale soluzione. Questa tecnica costruisce oggetti strato dopo strato, permettendo forme intricate e una riduzione dello spreco di materiale. Tuttavia, affinché la stampa 3D possa sostituire i metodi tradizionali nell'energia eolica, i materiali utilizzati devono essere in grado di resistere alle dure condizioni esterne, inclusi calore, freddo e lo stress fisico costante della rotazione.

I ricercatori dell'Indian Institute of Technology Mandi si sono posti l'obiettivo di esplorare se un tipo specifico di materiale stampato in 3D potesse soddisfare questi requisiti esigenti. Si sono concentrati su un materiale composito creato mescolando fibre di carbonio sminuzzate in una plastica resistente chiamata poliammide. Nel mondo della produzione, questa miscela è spesso nota con il nome commerciale Onyx. Le fibre di carbonio agiscono come uno scheletro all'interno della plastica, fornendo resistenza e rigidità extra, mentre la plastica tiene tutto insieme. Il team ha utilizzato un metodo di stampa chiamato fabbricazione a filamento fuso (fused filament fabrication), che funziona riscaldando un sottile filo di questo materiale fino a farlo fondere e poi estrudendolo attraverso un ugello per costruire una forma. Hanno testato specificamente un modello chiamato riempimento rettilineo (rectilinear infill), in cui il materiale viene steso in linee dritte, avanti e indietro, simile a come un tosaerba copre un prato. Questo schema è stato scelto perché distribuisce le forze uniformemente in tutta la struttura. I ricercatori hanno stampato piccoli pezzi di prova con questo materiale e li hanno sottoposti a una serie di test per vedere come avrebbero retto al calore, alla pressione e all'impatto, imitando le condizioni che una pala di una turbina eolica potrebbe affrontare.

I risultati della loro indagine suggeriscono che questo approccio sia molto promettente. Quando il team ha riscaldato il materiale stampato per vedere come avrebbe reagito alle alte temperature, questo ha mostrato un'eccellente stabilità. Le fibre di carbonio hanno aiutato a ritardare la degradazione della plastica, il che significa che il materiale potrebbe probabilmente sopravvivere alle fluttuazioni di calore e freddo di un ambiente esterno senza perdere la forma o la resistenza. Per comprendere la struttura interna del materiale, i ricercatori hanno utilizzato l'analisi a raggi X, che ha rivelato che le molecole erano disposte in un modello semi-cristallino stabile. Questa disposizione ordinata è fondamentale perché indica che gli strati di materiale si sono fusi bene durante la stampa, creando una struttura solida e unificata piuttosto che una debole pila di fogli separati.

In termini di resistenza fisica, il materiale stampato ha performato in modo impressionante in diversi tipi di stress. Quando sottoposto a trazione, il materiale ha resistito a una forza media di circa 33,5 MPa prima di rompersi. Quando compresso, ha retto fino a una pressione media di circa 72,2 MPa, dimostrando una forte capacità di sopportare carichi pesanti senza collassare. Il materiale ha anche mostrato una buona capacità di assorbire energia quando colpito, un tratto vitale per le pale che potrebbero incontrare grandine, polvere o detriti. I ricercatori hanno misurato questa resistenza all'impatto con una media di 42,1 kJ/m². Inoltre, quando piegato, il materiale ha resistito alla rottura con una resistenza alla flessione fino a 33 MPa, dimostrando di poter gestire le forze di flessione causate dalla pressione del vento senza spezzarsi. La superficie dei pezzi stampati è stata anch'essa esaminata, rivelando una texture costante con una rugosità media di circa 8,65 micrometri. Questo livello di levigatezza è importante per le pale eoliche, poiché una superficie ruvida può interrompere il flusso d'aria e ridurre l'efficienza.

Nonostante questi risultati positivi, lo studio ha anche evidenziato le aree in cui la tecnologia deve ancora affrontare delle sfide. I ricercatori hanno scoperto che le parti stampate contenevano piccole sacche di spazio vuoto, note come vuoti (voids), che si formavano tra gli strati di materiale. Mentre la superficie dei pezzi presentava pochissime di queste lacune, le sezioni interne ne contenevano di più, con frazioni di vuoto che raggiungevano circa il 17 percento in alcune aree. Questi minuscoli spazi possono agire come punti deboli dove si concentra lo stress, portando potenzialmente alla formazione di crepe nel tempo se il materiale è sottoposto a ripetuti movimenti di flessione e torsione. Lo studio osserva che, sebbene il materiale sia resistente, queste imperfezioni interne implicano che il processo di stampa debba essere controllato con cura per garantire che gli strati si uniscano perfettamente. I ricercatori hanno anche osservato che il materiale tendeva a cedere in modo fragile, ovvero poteva spezzarsi improvvisamente invece di flettersi significativamente prima, una caratteristica che deve essere gestita nella progettazione di grandi pale reali.

Il lavoro di Jain e Sharma non sostiene di aver risolto il problema della produzione di turbine eoliche in una notte, ma fornisce un passo avanti chiaro ed incoraggiante. Dimostrando che la plastica rinforzata con fibra di carbonio stampata in 3D può essere sia leggera che resistente, lo studio apre la strada alla creazione di pale eoliche più facili da produrre e potenzialmente più efficienti. La capacità di stampare forme complesse direttamente, senza la necessità di stampi pesanti, potrebbe ridurre lo spreco di materiale e consentire progettazioni specifiche per le forze che incontreranno. Sebbene la presenza di vuoti interni e la necessità di ulteriori test sulla durata a lungo termine rimangano, i risultati confermano che questo materiale è un candidato valido per la prossima generazione di infrastrutture per le energie rinnovabili. Il percorso per sostituire le pale tradizionali con quelle stampate in 3D richiederà ulteriore lavoro per perfezionare il processo di stampa ed eliminare quelle lacune interne, ma le fondamenta sono state gettate con un materiale che è pronto per essere testato nel mondo reale.