Łopata turbiny, która sama nadaje sobie kształt

Naukowcy z Concordii wydrukowali łopaty turbin wiatrowych, które wyginają się w zaprojektowany kształt podczas stygnięcia. Są o 80% lżejsze od aluminiowych i kręcą się szybciej, a powstają bez kosztownych form.

.Czwarty wymiar w nazwie „druk 4D” to czas. Zwykły druk 3D tworzy obiekt o ostatecznym kształcie, druk 4D wytwarza przedmiot, który zmienia formę już po wyprodukowaniu, pod wpływem temperatury, wilgoci lub innego bodźca. Emad Fakhimi, doktorant Uniwersytetu Concordia w Montrealu, i profesor Suong Van Hoa z tamtejszego Centrum Kompozytów wykorzystali to zjawisko do rozwiązania konkretnego przemysłowego problemu: produkcji zakrzywionych łopat dla turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu. Wyniki opublikowali w czasopiśmie Polymer Composites.

Turbiny pionowe coraz częściej trafiają na dachy budynków i w przestrzeń miejską, bo w odróżnieniu od klasycznych wiatraków nie muszą ustawiać się pod wiatr. Ich piętą achillesową pozostaje jednak produkcja: wygięte łopaty wymagają specjalistycznych procesów formowania i skomplikowanych form, które podnoszą koszt, wydłużają produkcję i dokładają wagi. Kanadyjski zespół obszedł ten problem elegancko. Łopaty z kompozytu węglowo-epoksydowego, o udziale włókien około 60%, powstają na zwykłej płaskiej formie, a swój docelowy, trójwymiarowy kształt przyjmują same.

Inżynieria od końca

.Mechanizm przypomina bimetal ze starego termostatu. Poszczególne warstwy laminatu różnią się właściwościami, w tym rozszerzalnością cieplną, więc gdy utwardzony na płasko panel stygnie, warstwy kurczą się nierównomiernie i płyta wygina się w łuk. Zwykle to wada, której inżynierowie kompozytów wystrzegają się jak ognia. Tutaj stała się metodą produkcji.

Najbardziej nowatorski jest jednak sposób projektowania, który badacze określają jako pierwszą tego rodzaju procedurę „odwrotną”. Dotychczas postępowano od przyczyny do skutku: układano warstwy w określonej konfiguracji i sprawdzano, jaki kształt z tego wyniknie. Zespół z Concordii odwrócił zadanie: zaczyna od pożądanej geometrii łopaty i cofa się do pytania, jak ułożyć i zorientować warstwy włókien, by stygnący panel sam się w nią złożył. To przejście od obserwowania materiału do zadawania mu kształtu, matematyka zaprzęgnięta do tego, by fizyka odwaliła robotę formy.

Lżejsze o 80%, szybsze w obrotach

.Wyniki testów są jednoznaczne. Kompozytowe łopaty wiernie odtworzyły kształt komercyjnych aluminiowych łopat małej turbiny, ważąc przy tym o 80% mniej. W próbach laboratoryjnych turbiny z nowymi łopatami obracały się szybciej niż te z aluminiowymi, co w energetyce wiatrowej przekłada się wprost na sprawność. Do tego dochodzi rachunek ekonomiczny: brak form o złożonej krzywiźnie to oszczędność czasu i pieniędzy, największa właśnie w małej skali, gdzie koszt oprzyrządowania rozkłada się na krótkie serie.

.Warto zachować proporcje: to demonstracja na małych turbinach, nie gotowa linia produkcyjna, a droga od laboratorium do rynku bywa w kompozytach długa. Kierunek jest jednak znaczący. Profesor Hoa rozwija druk 4D kompozytów od blisko dekady, a łopaty turbin to najbardziej praktyczne dotąd zastosowanie metody, która może objąć także inne lekkie konstrukcje, od lotnictwa po architekturę. Sedno tej pracy wykracza zresztą poza energetykę. Przez sto lat przemysł narzucał materiałom kształt siłą, formami i prasami. Tu materiał dostaje instrukcję zapisaną w ułożeniu włókien i wykonuje ją sam. Forma przestaje być narzędziem, staje się informacją.

Szymon Ślubowski