Study and evaluation of different modelling tools for the optimization of the vacuum infusion process in glass and carbon fibre reinforced composites

Abstract

The growing demand for electricity and the targets imposed by the European Union to achieve net-zero greenhouse gas emissions have considerably increased the need for sustainable energy solutions. In the coming years, a considerable increase in investment in renewable energies is expected, especially in wind energy. Vestas Wind Systems A/S is a pioneer company in sustainable energy solutions focusing on the design, manufacture, installation, and service of wind turbines worldwide, having currently available on the market wind turbines whose blades have lengths ranging from 54 meters to 115.5 meters. This considerable increase in the size of the blades brought some challenges to the manufacturing process, and simulation tools are increasingly being studied to reduce production and development costs and improve the quality of the developed components. This work was developed in collaboration with Vestas Design Centre Oporto, and the scope of this project is to study and evaluate a set of modelling tools that can be used to simulate the manufacturing process of wind turbine blades, called Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM). For this investigation, the VARTM process was initially studied, and a methodology was developed to select the modelling tool that best suits the Vestas® value chain. Briefly, the proposed methodology consisted in defining a series of requirements and, after conducting a market analysis to identify the modelling tools used to simulate the vacuum infusion process, all the found modelling tools were compared using a Pugh matrix. From that comparison, the modelling tools COMSOL Multiphysics®, PAM-RTM® and RTM-Worx® were selected and tested with the simulation of the VARTM process for fourteen case studies. The results of numerical simulations were compared with experimental data, and the global results obtained in the RTM-Worx® were the most accurate. However, the PAM-RTM® was the most scored in the Pugh matrix performed at the end of the work. When all the constraints are weighted, the PAM-RTM® is the software recommended to be tested, in the long term, to verify if it fulfils the purpose of simulating the VARTM process of wind turbine blades.

A crescente demanda por eletricidade e as metas impostas pela União Europeia para atingir a neutralidade carbónica e de gases com efeito de estufa aumentaram consideravelmente a procura por soluções energeticamente sustentáveis, sendo previsto que nos próximos anos se dê um aumento considerável no investimento em energias renováveis, em particular na energia eólica. A “Vestas Wind Systems A/S” é uma das empresas pioneiras no desenvolvimento de soluções de energia sustentável focando-se no projeto, manufatura, instalação e manutenção de turbinas eólicas em todo o mundo, tendo atualmente no mercado turbinas eólicas cujas pás têm comprimentos que variam entre os 54 metros e os 115,5 metros. Este aumento considerável do tamanho das pás trouxe algumas dificuldades ao processo de manufatura, sendo que cada vez mais se tem procurado ferramentas de simulação com vista a possibilitar a redução de custos de produção e desenvolvimento e melhorar a qualidade dos componentes desenvolvidos. Este trabalho foi desenvolvido em colaboração com a “Vestas Design Centre Porto”, com o objetivo de estudar e avaliar um conjunto de ferramentas de modelação que poderão ser utilizados para simular o processo de manufatura das pás das turbinas eólicas. Para tal, inicialmente, estudou-se o processo, denominado “Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM)”, e definiu-se uma metodologia que permitiu selecionar a ferramenta de modelação que melhor se enquadra na cadeia de valor da Vestas®. Sumariamente, a metodologia proposta consistiu na definição de um conjunto de requisitos e, depois de efetuada uma análise de mercado, com vista a identificar as ferramentas de modelação utilizadas para simular o processo de infusão por vácuo, todos as ferramentas de modelação foram comparadas, utilizando uma matriz de “Pugh”. Dessa comparação, os “software” “COMSOL Multiphysics®”, “PAM-RTM®” e “RTM-Worx®” foram selecionados e posteriormente testados com a simulação do processo “VARTM” para catorze de casos de estudo. Os resultados das simulações numéricas foram comparados com dados experimentais, e os resultados obtidos no “RTM-Worx®” foram os mais precisos. No entanto, o “PAM-RTM®” foi o mais pontuado na matriz de “Pugh”, efetuada no final do trabalho, sendo este a ferramenta de modelação que se recomenda testar a longo prazo, a fim de verificar se cumpre o propósito de simular o processo VARTM de pás das turbinas eólicas.