Dalla Concordia University una nuova procedura per realizzare pale per turbine eoliche verticali a partire da laminati compositi in fibra di carbonio che si deformano autonomamente durante il raffreddamento
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Una nuova tecnica di produzione additiva per le pale eoliche
Risparmiare tempi e costi nella fabbricazione della componentistica eolica, garantendo al tempo stesso prodotti affidabili e performanti. Con questo obiettivo gli ingegneri Emad Fakhimi e Suong Van Hoa della Concordia University, in Canada, hanno studiato un metodo per realizzare pale eoliche stampate in 4D per turbine ad asse verticale.
I ricercatori hanno dimostrato come sia possibile ottenere pale in materiali compositi simili nella forma a quelle commerciali in alluminio, ma più leggere e in un tempo ridotto. Aprendo così le porte ad una serie di interessanti possibilità per il segmento.
L’eolico ad asse verticale, infatti, si caratterizza grazie alle sue pale curve realizzate generalmente mediante processi di formatura specializzati che richiedono stampi complessi. Passaggi che aumentano costi e i tempi di produzione, e che potrebbero trovare nella stampa 4D una soluzione win-win.
Come funziona la stampa 4D?
Una delle nuove frontiere della progettazione avanzata è costituita dalla stampa 4D, grazie a cui è possibile ottenere oggetti che cambiano forme o proprietà strutturali nel corso del tempo.
Tuttavia questa etichetta si presta a coprire due diverse categorie di processo. La prima è costituita dalla stampa 4D “classica” che impiega polimeri morbidi e “intelligenti” come l’idrogel o i materiali a memoria di forma in grado di adattarsi autonomamente all’ambiente in cui si trovano. Questi materiali vengono attivati da fattori ambientali come umidità, calore o PH umano e reagiscono cambiando la propria struttura, ad esempio espandendosi o piegandosi.
Il procedimento utilizzato nei laboratori della Concordia University si affida invece al 4D Printing of Composites (4DPC), una tecnica abbastanza diversa. E non solo per la necessità di impiegare stampi.
Al posto dei polimeri intelligenti, la 4DPC si affida a compositi in fibra di carbonio impregnata da resina epossidica o in matrice termoplastica. “Queste fibre sono continue e la loro quantità è relativamente elevata (generalmente tra il 50% e il 60% in volume). Di conseguenza, i materiali utilizzati per il 4DPC presentano una maggiore rigidità (circa 100 GPa) e una maggiore resistenza (circa 100 MPa)”, scrivono i due autori. Ma se il materiale è rigido, come può cambiare forma nel tempo?
In questo caso la variazione non dipende da fattori ambientali esterni ma semplicemente dalla disposizione delle fibre. La fibra di carbonio è, infatti, “anisotropa“, il che significa che possiede proprietà meccaniche diverse a seconda della direzione in cui la fibra stessa è disposta.
Pale eoliche stampate in 4D
Per ottenere le pale eoliche curve delle turbine ad asse verticale, gli ingegneri hanno depositato fibre di carbonio continue impregnate di resina su un piano, orientando i vari strati in direzioni diverse. La lamina in composito così risultante è stata scaldata fino alla temperatura di polimerizzazione della resina e poi fatta raffreddare. Ed è qui che è entrata in gioco la fisica dei materiali. La fibra di carbonio ha un coefficiente di dilatazione termica quasi pari a zero mentre la resina si contrae mentre si raffredda; dal momento che gli strati hanno orientamenti delle fibre diversi, i laminati piani si sono deformati naturalmente assumendo forme curve.
Il procedimento messo a punto si distingue però soprattutto per l’approccio. Invece di partire da un particolare orientamento degli strati di fibra di carbonio e osservare la forma risultante, gli ingegneri hanno prima determinato la geometria della pala, e poi hanno lavorato a ritroso per determinare come gli strati dovessero essere disposti per ottenerla.
“Questa procedura consente di risparmiare tempo e costi, poiché non sono necessari stampi con curvature complesse”, scrivono Fakhimi e Van Hoa . “Allo stesso tempo, il materiale risulta resistente, rigido e leggero, con conseguenti vantaggi in termini di peso e maneggevolezza”.
I risultati
Le pale eoliche stampate in 4D presentavano una forma molto simile a quella delle pale in alluminio commerciali, pur pesando l’80% in meno. E di conseguenza nei test di laboratorio hanno ruotato più velocemente. “Tuttavia, lo sviluppo del nuovo product presenta altri aspetti da considerare, tra cui la rigidità flessionale, la durabilità in presenza di agenti ambientali, la resistenza alla fatica e la sicurezza strutturale in presenza di carichi centrifughi e aerodinamici. Tali aspetti devono essere affrontati per garantire un funzionamento economico e sicuro”.
Lo studio di Emad Fakhimi et al, Development of Vertical Wind Turbine Blades Using 4D Printing of Composites è stato pubblicato su Polymer Composites (2026). DOI: 10.1002/pc.70998
