Tecnica di rivestimento moderna per cuscinetti a strisciamento negli impianti eolici
Il rivestimento laser è un processo innovativo per applicare strati resistenti all'usura sulle superfici metalliche. Negli impianti eolici, ad esempio, si utilizzano sempre più spesso cuscinetti a strisciamento al posto dei cuscinetti a rotolamento, ad esempio per gli alberi principali di grandi dimensioni (alberi del rotore principale) e le ruote planetarie nei riduttori. Questo cambiamento ha lo scopo di aumentare l'efficienza energetica e ridurre i costi di manutenzione. Poiché i cuscinetti a strisciamento richiedono rivestimenti morbidi, il rivestimento laser diventa fondamentale: consente di realizzare strati di scorrimento di alta qualità direttamente sui componenti in acciaio – un fattore chiave per componenti eolici durevoli ed efficienti.
Ma cosa significa rivestimento laser? Il termine indica l'applicazione di un rivestimento metallico mediante laser. Tecnicamente si tratta di saldatura a deposizione laser, detta anche laser cladding – un processo consolidato per la produzione o la riparazione di rivestimenti di altissima qualità.
Casi di applicazione tipici: alberi principali e perni planetari negli impianti eolici
Negli impianti eolici si verificano sollecitazioni estreme e sollecitazioni continue. In particolare gli alberi principali, che trasmettono la forza delle pale del rotore al riduttore, e i perni planetari, ovvero i perni su cui ruotano le ruote planetarie nel riduttore, devono resistere a forze elevate. Finora questi componenti sono stati spesso dotati di cuscinetti volventi (ad es. cuscinetti a rulli o a sfere). Tuttavia, i moderni impianti eolici puntano sempre più su soluzioni con cuscinetti a strisciamento per ridurre le perdite per attrito e aumentare così la durata.
Per riattrezzare i cuscinetti a strisciamento, le superfici di questi componenti devono essere rivestite con un metallo morbido adatto. È proprio qui che entra in gioco il rivestimento laser. Un esempio tipico sono i perni planetari rivestiti al laser nei più recenti impianti eolici. Il rivestimento laser consente di applicare sulla superficie in acciaio dei perni o dei perni dell'albero un sottile strato di materiale per cuscinetti a strisciamento (come bronzo rame-stagno o metallo bianco). Questo strato funge da superficie di strisciamento che, in combinazione con un controcuscinetto adatto (ad es. un segmento di coppa), forma un cuscinetto a strisciamento a basso attrito.
Il rivestimento garantisce importanti proprietà tribologiche: da un lato protegge l'acciaio dall'usura; dall'altro consente le cosiddette proprietà di funzionamento di emergenza, ovvero la capacità del cuscinetto di non guastarsi immediatamente in caso di interruzione temporanea dell'olio lubrificante. Senza un tale strato di scorrimento morbido, gli accoppiamenti acciaio su acciaio subirebbero rapidamente danni da grippaggio se il film lubrificante si rompesse. Le leghe di rame-stagno (bronzi) o i metalli bianchi offrono in questo caso eccellenti proprietà di scorrimento e, grazie alla loro superficie morbida, impediscono il grippaggio durante il funzionamento di emergenza. Il rivestimento laser di questi materiali su alberi e bulloni di grandi dimensioni è quindi la chiave per poter utilizzare in modo affidabile i cuscinetti a strisciamento nelle turbine eoliche.
Vantaggi del rivestimento laser rispetto alla fusione e alla spruzzatura termica
Il rivestimento laser (saldatura a deposizione laser) offre numerosi vantaggi tecnici ed economici rispetto ai metodi di rivestimento tradizionali come la fusione delle calotte dei cuscinetti o la spruzzatura termica.
- Maggiore resistenza di adesione: gli strati applicati con il laser sono saldati al materiale di base con un legame di materia e raggiungono una resistenza di adesione significativamente più elevata rispetto ai rivestimenti realizzati mediante fusione o spruzzatura. Soprattutto rispetto alla spruzzatura termica – che provoca solo un'adesione meccanica delle particelle sulla superficie – il legame metallurgico nella saldatura a deposizione laser garantisce strati notevolmente più durevoli e resistenti.
- Integrazione nei processi e alta precisione: gli impianti di rivestimento laser possono essere integrati in una linea di produzione, poiché sono relativamente compatti e non richiedono un’area separata dedicata alla fonderia. I componenti possono essere ulteriormente lavorati sullo stesso impianto direttamente prima o dopo il rivestimento, riducendo al minimo gli oneri logistici. Il laser applica l’energia in modo molto preciso e localizzato sul pezzo. In questo modo le aree circostanti non vengono quasi influenzate. Ciò riduce al minimo le deformazioni e consente la migliore precisione dimensionale possibile del componente. Inoltre, i parametri del laser sono controllabili con precisione, il che garantisce spessori di strato uniformi e risultati riproducibili. Anche geometrie complesse o punti difficili da raggiungere possono essere rivestiti in modo uniforme tramite una guida ottica multiasse – molto meglio di quanto sarebbe possibile con i processi convenzionali.
- Migliori proprietà di funzionamento in emergenza grazie a materiali contenenti stagno e rame: poiché nel rivestimento laser è possibile applicare praticamente qualsiasi lega, è possibile utilizzare bronzi per cuscinetti a strisciamento o metalli bianchi appositamente sviluppati. Questi rivestimenti morbidi contenenti rame e stagno conferiscono al cuscinetto eccellenti proprietà di funzionamento in emergenza: il cuscinetto può quindi continuare a funzionare per un po' senza subire danni gravi anche in caso di lubrificazione insufficiente o di un breve guasto dell'olio.
- Minor impiego di materiale ed energia: il rivestimento laser è estremamente efficiente in termini di risorse. Rispetto alla tradizionale colata centrifuga o in forno dei cuscinetti, è possibile risparmiare oltre il 70% dei metalli non ferrosi (metalli non ferrosi), poiché viene applicato solo lo spessore di rivestimento necessario, invece di colare un rivestimento spesso in bronzo. Allo stesso tempo, il consumo energetico si riduce di circa il 90% rispetto al processo di fusione, poiché il processo laser fonde il materiale solo localmente e non è necessario mantenere a temperatura grandi quantità di materiale fuso per lunghi periodi di tempo. Nel complesso, il rivestimento laser è quindi significativamente più ecologico e più economico in termini di costi di esercizio.
Tecnologia: saldatura a deposizione laser in uso
Nel rivestimento laser (saldatura a deposizione laser), un materiale metallico in polvere o un filo viene applicato su un componente sotto forma di strato solido mediante un raggio laser ad alta intensità. Un raggio laser focalizzato genera un bagno di fusione locale sulla superficie del pezzo. In questo bagno di fusione, i materiali di riempimento si legano al materiale di base. Il metallo liquido si solidifica in pochi millisecondi e forma un cordone di saldatura denso, saldamente fuso con il substrato. Disporre tali cordoni di saldatura (tracce) leggermente sfalsati l'uno rispetto all'altro e, se necessario, applicarli in più strati, crea uno strato omogeneo con il diametro desiderato.
Come fonte di energia vengono solitamente utilizzati laser a diodi ad alta potenza.
EMAG ELC 1500 LMD – Impianto ad alte prestazioni per il rivestimento laser
L'ELC 1500 LMD è stata progettata appositamente per rivestire in modo efficiente con il laser pezzi fino a 2 tonnellate di peso e una lunghezza fino a 1,5 metri. Ciò rende l'ELC 1500 LMD ideale per componenti come alberi principali o assi di turbine eoliche, che sono molto grandi e massicci. Grazie al letto a macchina rinforzato e alla contropunta stabile, anche questi pesi massicci possono essere serrati in modo preciso e spostati in sicurezza durante il rivestimento.
L'ELC 1500 LMD funziona con la più moderna tecnologia laser e di azionamento. Il cuore del sistema è un'ottica di processo che, azionata da un massimo di quattro assi NC, posiziona il raggio laser con estrema precisione. In concreto, ciò significa che l'ottica può essere spostata nelle direzioni X, Y e Z e, inoltre, può essere regolata angolarmente per seguire in modo ottimale ogni punto del componente. Questo movimento multiasse aumenta enormemente la flessibilità: anche contorni complessi o aree di difficile accesso (ad es. superfici interne di grandi cuscinetti) possono essere rivestiti in modo affidabile, poiché il raggio può sempre colpire con l'angolazione corretta. La ripetibilità del posizionamento è estremamente elevata: le deviazioni da uno strato all'altro sono minime, il che garantisce risultati costanti.
Anche l'ergonomia e l'integrazione sono state prese in considerazione nell'ELC 1500 LMD. La macchina dispone di un ampio spazio di lavoro accessibile dalla parte anteriore. I componenti di grandi dimensioni possono essere facilmente caricati e scaricati con una gru o dispositivi di sollevamento (manipolatore). Gli interventi di manutenzione sul laser o sull'ottica sono facilitati dalla struttura aperta dell' . Tutti i componenti necessari – dalla sorgente del raggio all’estrazione di fumi e particelle – sono integrati nel concetto dell’impianto e possono essere disposti in modo flessibile. Ciò significa che la soluzione completa di rivestimento laser proviene da un unico fornitore e richiede solo uno spazio adeguato nella linea di produzione. Gli impianti di raffreddamento per il laser e le cabine di protezione sono parti del sistema, garantendo così sicurezza e affidabilità.
In sintesi, il rivestimento laser raggiunge quindi una qualità di giunzione superiore, consente l'utilizzo di materiali per cuscinetti ad alte prestazioni, fa risparmiare materiale ed energia, offre condizioni di processo precise senza grandi effetti collaterali termici e non richiede fluidi di raffreddamento aggiuntivi. Questi vantaggi lo rendono una tecnologia estremamente interessante per il rivestimento di cuscinetti a strisciamento nelle applicazioni eoliche.
