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Sujet: Didacticiel de conception d'une pale eoilenne artisanale

Auteur: Philippe Manzano

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Voir aussi: Modelisation helice 3D avec heliciel et solidworks

Fabrication artisanale d'une pale d'éolienne

helice eolienne heliciel

Je vous propose de concevoir une pale d'éolienne et d'en réaliser le prototype en carton et composites avec des logiciels, de l'outillage et des matériaux abordables ou gratuits.
  1. Introduction
  2. Conception
  3. Transformations
  4. Fabrication virtuelle
  5. Fabrication réelle
  6. Conclusion
Matériel nécessaire :
Du carton (ou contre-plaqué) d'épaisseur identique et en bon état (pas enfoncé ou compressé) 594x840mm minimum.
Une baguette de bois 30x30mm de 600mm de long minimum.
Scalpel ou cutter, neuf pour bien découper sans compresser le carton (ou scie à chantourner pour du contre plaqué).
Scie sauteuse pour la découpe de la baguette (scie à chantourner ou table de sciage préférable).
Colle non repositionnable en aérosol (en grande surface de bricolage).
Fibre de verre : Roving 500g/m² et 200g/m², l'idéal étant de prendre des tissus avec carbone, prévus pour les éoliennes
Résine (plutôt époxy de stratification pour éviter les vapeurs du polyester et bien maîtriser le séchage).
Une imprimante et du papier (ou du calque).
Un pied à coulisse pour mesurer l'épaisseur du carton.
Si possible une planche à découper (cutting mat) pour faire des découpes précises et propres au scalpel.

Logiciels nécessaires (à installer sur votre ordinateur) :
Héliciel (français, propriétaire, http://heliciel.com)
jCAE 0.16 (anglais, open source, https://sourceforge.net/projects/jcae/files/jcae/0.16.0/)
Visorium (français, freeware, http://5axes.free.fr/Visorium3D.htm)
Autodesk 123D Make (anglais, freeware, http://www.123dapp.com/make)
Adobe Reader (freeware, version 10 minimum pour imprimer du A2 sur des A4)

Introduction

Une éolienne est prévue pour fonctionner au maximum de ses capacités à une vitesse de vent bien précise et si possible la plus stable possible. C'est cette vitesse de vent, retenue à la conception, qui va définir la forme de la pale de l'éolienne grâce à Héliciel, le logiciel qui va permettre de comprendre et de choisir le bon profil d'éolienne pour votre site.
Il est donc important est de connaître les conditions exactes de vent à l'endroit où l'on souhaiterait installer une éolienne pour en déduire la vitesse du vent modale (la plus courante et non la moyenne) de votre site. Je vous à visiter le site d'héliciel qui traite du sujet et propose un lien vers un site de statistiques météo pour différentes villes en France.
Bien sûr la puissance du générateur (donc la vitesse de rotation optimale) est aussi primordiale pour définir, avec la vitesse du vent, le point de fonctionnement de l'éolienne.
Nous partirons dans ce didacticiel avec des données théoriques : une vitesse de rotation idéale de la génératrice de 1100 RPM (rotations ou tours/minute), une vitesse de vent de 12.35 m/s (44km/h, Force 6, 24 noeuds) et un rayon de l'éolienne de 570mm.

Conception

Ouvrons Héliciel et commençons la conception :
Fichier > Nouveau projet > Hélice de captage d'air (je précise qu'une hélice de ventilateur est prévue pour produire du courant d'air et n'est pas optimale pour le capter)
En plus de proposer une carte des vents permettant de choisir une vitesse des vents réaliste pour sa zone, le logiciel permet de définir finement l'air lui même !
heliciel
En effet la masse volumique dépendant de l'altitude et la température de l'air (moindrement l'humidité) influencent sa capacité à faire tourner l'éolienne. À vitesse de vent et température égale, une éolienne en bord de mer produira plus qu'une éolienne en montagne.

Le point de fonctionnement est défini (voir l'introduction) :
point fonctionnement eolienne

On passe à l'onglet de la géométrie de la pale pour choisir le rayon et la largeur :
dimensions pale eolienne

À noter qu'Heliciel permet de faire de la rétro-conception (reverse engineering) à partir d'une éolienne existante !
Ca vous permettra donc de vérifier si votre éolienne est optimale et pour quel type d'utilisation elle est prévue.

L'onglet 2.2 permet de définir le type de profil (ici NACA 1408) et d'affiner si l'on souhaite le profil dans les options avancées (onglet 2.3), par exemple en fonction du matériau final choisi :
construction eolienne

Enfin dans l'onglet 3, on peut faire plusieurs calculs d'optimisations (vitesse de rotation, nombre de pales) ou partir sur la performance maximum de la pale en cliquant sur analyse multiple :
test eolienne

Pour voir comment l'éolienne va produire (théoriquement) selon les allures de vent :
courbe performances eolienne

C'est cette courbe que l'on retrouve dans les spécifications de l'éolienne (fiche technique).

L'onglet suivant indique les erreurs éventuelles de conception et les messages d'avertissements (protection contre les accidents et limites des calculs théoriques) :
heliciel

Dans l'onglet "Outils", on peut encore choisir le type d'hypothèse (mieux-disant, pessimiste, chocs, ...) :
heliciel

Enfin, nous pouvons construire notre modèle en cliquant sur le bouton en forme d'hélice à côté de la sauvegarde (disquette), ici entouré en rouge :
modelisation eolienne

Notre éolienne est prête à tourner !

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On peut voir y en bleu, les pertes des bouts de pales et en vert le vent représenté par des vecteurs de poussée différente au fur et à mesure que le vent transfert son énergie à l'éolienne.

On peut finalement enregistrer son travail et exporter le modèle de la pale pour pouvoir la fabriquer :
heliciel

On va préférez le format .IGS au .x (voir le post-scriptum à la fin concernant le format .x) :
Fichier > Exporter au format IGS (choisissez un nom simple sans accent, espace ou caractère spécial, Java n'aimera pas) pour obtenir un fichier comme pale.igs (fichier résultant de l'export du modèle à partir d'Héliciel).

Transformations

Notre fichier IGS ne peut pas être lu directement par le logiciel d'aide à la fabrication artisanale (Autodesk 123D Make). Il faut lui faire subir une série de transformations en passant d'un type de fichier à l'autre, sans modification de la forme ou de l'échelle.
On va commencer par transformer l'IGS en UNV, puis passer de l'UNV au STL pour enfin pouvoir l'importer dans le logiciel qui nous sortira les plans en PDF pour nous permettre de fabriquer notre pale.

Dans le dossier "Mes Documents" : Créez un nouveau dossier vide "JCAEProject" en respectant les majuscules et minuscules.
Dans jCAE:
File > New project (choisir le dossier nouvellement créé)
File > Import geometry (sélectionnez votre fichier igs créé à partir d'Héliciel) comme ci-dessous :
igs
Une fenêtre d'information apparaît, vous pouvez cliquer sur OK.
Si tout s'est bien passé, vous avez maintenant le nom de votre fichier dans l’arborescence de "Geometries".
(sinon retentez l'export avec un axe différent dans Héliciel (pas zéro, ça ne fonctionne pas) et un nom différent avec seulement des minuscules non accentuées)

Il faut ensuite "ouvrir" le fichier pour le voir, pour cela, sélectionnez le et affichez le menu avec le bouton droit et sélectionnez "Open" comme ci-dessous :
jcae heliciel

Votre fichier passe "en couleur", maintenant pour enfin le voir affichez le menu avec le bouton droit et sélectionnez "View" comme ci-dessous :
jcae heliciel

Vous pouvez enfin voir votre pale d'éolienne en splines (type de conception vectorielle, au format IGS entre autres, qui construit des surfaces par équations et non des volumes finis, par triangles (mesh)).
Pour tourner , zoomer et glisser dans cette vue : bouton gauche souris + déplacement = tourner (orbite), bouton droit + déplacement haut ou bas = zoom, bouton milieu (appui sur la molette) + déplacement = pan.

Pour pouvoir importer cette pale dans 123D Make il nous faut impérativement un fichier .OBJ ou .STL (format de fichier pour des types "mesh" parmi d'autres).
jCAE va s'occuper de la conversion en mesh de cette pièce :
Dans jCAE :
Windows > Output (por pouvoir contrôler la conversion).
Clic droit sur "Meshes" et ajoutez un mesh comme dans l'image ci-dessous :

heliciel
Puis clic droit sur votre géometrie et sélectionnez Copy :
heliciel

Pour enfin faire un clic droit sur "new1" dans Meshes qui vient d'être créé et sélectionnez "Compute" :
heliciel

jCAE s'active et vous voyez une barre verte style K2000 en bas à droite, et la la fenêtre output se remplit.
Après quelques secondes ou minutes (selon la puissance de votre ordinateur), vous devez avoir un message dans l'onglet output du type :
99922 [INFO] org.jcae.mesh.xmldata.MeshToMMesh3DConvert- Total number of nodes: 111390
99922 [INFO] org.jcae.mesh.xmldata.MeshToMMesh3DConvert- Total number of triangles: 221801
99922 [INFO] org.jcae.mesh.Mesher- End mesh
avez un nouveau "group" dans l'arborescence "Meshes".

options jcaeSi vous n'avez pas ce résultat, mais quelque chose type :
Error occurred during initialization of VM
Could not reserve enough space for object heap
Could not create the Java virtual machine.
Il vous faut réduire la mémoire allouée au calcul dans les options de jCAE :
Windows > Options, jCAE/Mesher Settings > Maximum Memory



Maintenant pour voir enfin son résultat :
Un clic droit sur "new1" pour sélectionnez "View".
Si à première vue il n'y a aucune différence, un zoom fait apparaître les 221 801 triangles créés !
Dans la video capture d'écran ci-dessous on voit la superposition des 2 pales, l'une "nurbs" en bleu, et "mesh" en rose (vert dans le profil).

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Malheureusement jCAE n'exporte pas en STL ou OBJ, par contre on peut passer par Visorium, c'est très rapide :
Dans jCAE :
Clic droit sur "new1" et choisissez "Export to UNV". Pensez à sélectionner "millimeters" dans la fenêtre qui s'affiche, avant de sauver le fichier.
Au passage, on vient de passer d'un fichier de 204ko (.igs) à 42Mo (.unv) pour la même forme, mais pas la même chose.

Dans Visorium :
Fichier > Ouvrir Format Maillage
A droite, sélectionnez ".unv" dans le menu déroulant puis choisissez le fichier fraîchement créé. Ça prend quelques secondes pour charger et avoir la vue ci-dessous :
visiorim heliciel

On peut directement sauver dans le format que l'on recherche (STL) :
Fichier > Enregistrer STL
On vient de passer à 71Mo, toujours pour la même forme.

Fabrication virtuelle

Enfin, on passe à l'étape prototypage artisanale :
Dans Autodesk 123D Make :
On clic simplement sur le bouton "import" (sans utiliser le menu déroulant) :
import 123d make, pale heliciel
et on sélectionne son fichier .stl

Ensuite on sélectionne la technique de fabrication dans le menu qui s'affiche maintenant juste sous le bouton "import", dans mon cas je choisi "Interlocked slices", par défaut ça fait une découpe inutile, mais que nous allons modifier immédiatement.

Tout d'abord, il faut préciser quelle épaisseur de carton on a sous la main et la taille de papier qu'il nous faudrait idéalement pour faire tenir les grandes pièces en cliquant sur le crayon :
carton heliciel

Il est plus facile de garder le système ISO (A4, A3, A2, A1) puisque les surfaces doublent à chaque fois (A2=2xA3=4xA4). Plus tard nous verrons comment imprimer ce grand papier sur des plus petits (A4).

Le clic sur le crayon ouvre une fenêtre où l'on va rajouter un nouveau type de matériau en cliquant sur le "+" en bas à gauche, puis en cliquant sur le nom pour le renommer, par exemple, en "carton A2" (le 59.4cm contiendra le guide).
La marge d'erreur de l'épaisseur du carton n'est pas essentielle dans ce cas, car le guide va nous éviter de cumuler les erreurs à la fabrication, ce qui aurait été le cas si l'on avait choisi "stacked slices" (coupes empilées) comme technique.
"Thickness" correspond à l'épaisseur du carton que l'on a choisi pour ce projet (à mesurer au pied à coulisse, en prenant avec l'épaisseur d'une feuille de papier collé sur le carton). "Slot Offset" et "Tool Diameter" peuvent être mis à zéro, car notre scalpel découpe mais n'emporte pas de matière.
Le résultat devrait ressembler à cela :
nouveau format 123d héliciel

Il est temps de préciser les bonnes dimensions de notre objet dans la partie "Object Size" :
Units : mm
et on clic sur "Original Size". La longueur (Lenght) donnée (547.229mm) est la bonne.
Cette mesure n'est pas la même selon les logiciels, car les dimensions ne sont pas prises de la même façon :
Héliciel donne le rayon de l'éolienne (570mm), dont une partie est l'axe de l'éolienne, donc la pale ne fait pas 570mm exactement (sauf dans le cas purement théorique où l'axe serait de 0%, 0mm).
jCAE ne mesure pas vraiment (il part d'un point d'origine qui pourtant ne correspond pas au centre de l'axe de l'éolienne).
123D Make mesure réellement l’élément lui même.

slice direction, 123d make,
      helicielParfois à l'ouverture l'orientation des tranches n'est pas bonne, pour ré-orienter la découpe des tranches et du guide il suffit de cliquer sur le bouton à côté de "Slice Direction".

On déplace le rond orange pour qu'il soit dans l'axe de la pale et le cône bleu pour qu'il soit au dessus. Ce dernier correspond à "1st Axis" et l'orange à "2nd Axis" dans la section Slice Distribution.


Ensuite on va se concentrer sur le guide et les "tranches" de carton :
Il y a un choix à faire : Soit on souhaite coller à la théorie et couper 99 tranches pour avoir un profil très proche, mais aussi risquer de casser le guide lors de la découpe, soit on en coupe moins, mais on perd en précision et surtout on perd une partie importante du bout de la pale puisqu'il commence toujours par un demi-espace pour que la première tranche tienne dans le guide.
99 tranches :
bout 99
45 tranches :
bout 45

Dans "Slice Distribution", on va prendre un guide et 50 tranches pour cet exemple :
Method = By count
1st Axis = 1
2nd Axis = 50

Le guide n'étant pas parfaitement au bon endroit (le centre de gravité est forcément plus proche du bord d'attaque), on clic une fois dessus (ses bords deviennent blanc) pour le déplacer vers le bas avec la souris pour ressembler à cela :


Si des pièces sont bleues, c'est qu'elles ne sont pas rattachées (ici un seul guide donc forcément perte de certaines pièces)
Si des pièces sont rouges, c'est qu'il y a un problème (souvent pour les faire tenir dans le format choisi)
Toutes les pièces blanches sont OK.
Le "notch Factor" et le "notch Angle" correspondent au chanfrein sur les tranches pour les placer sur le guide, pas très important ici.
Les pièces en bleue ne seraient pas très utiles, car bien trop grossières et approximativement placées pour permettre de positionner correctement la pale sur un axe rond. Il vaut mieux partir avec un axe en hexagone, voire triangle pour permettre de positionner les 3 pales de l'éolienne.
De plus, le guide pourra être prolongé dans l'axe pour aider à positionner les pales précisément.

À noter que le guide dépasse du profil des 2 côtés, avant tout collage définitif il faudra y inscrire ses dépassements grâce aux tranches et le poncer (à la dégauchisseuse) ou le couper en faisant très attention, il s'agit des parties externes délimitées par les traits rouge :


La section "Assembly Steps" permet de voir le montage des tranches sur le guide, chaque pièce étant numérotée et visible dans le plan à droite (tout peut tenir sur une page A2 (donc 4 feuilles A4) en jouant sur la position du guide tout à l'heure) :

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Reste maintenant à imprimer tout ça et à commencer à découper du carton (c'est dans ces moments là que l'on aimerait avoir de la découpe laser).
La section "Get plans" vous permet de sauvegarder les plans en PDF puis de cliquer sur export :


Notez qu'il rajoute des chanfreins et des pentes sur le peigne pour faciliter le montage du carton :


En jouant sur les paramètres d'impression d'Adobe Reader on peut imprimer le Poster A2 sur plusieurs A4 comme paramétré ci-dessous (pour plus de détails, voir http://helpx.adobe.com/acrobat/kb/print-posters-banners-acrobat-reader.html), ici j'imprime vers un fichier PDF (avec doPDF) pour me permettre de vérifier le résultat avant impression finale.
heliciel

Fabrication réelle

Ca y est, vous pouvez imprimer, si possible sur du calque, découpez les feuilles et les coller suivant les raccords, puis découpez toutes les formes.
Les formes seront collées sur le carton et le guide en bois pour permettre de découper correctement les formes au scalpel.
Si vous avez opté pour le contre-plaqué et la scie à chantourner, vous pouvez coller directement les feuilles montées entre elles sur la plaque de contre plaqué et découper calques et bois en même temps.
Le guide en bois peut dépasser côté axe de l'éolienne pour permettre de faire sécher la résine et positionner la pale sur l'axe (voire en faire un pas variable ?).
Enlevez les feuilles ou les calques collés (en reportant les nombres sur les cartons) puis assemblez avec douceur les cartons et le guide pour vérifier que tout est bon. Marquez le guide des 2 côtés pour enlever la matière sur les 2 angles sortants du profil.
Ça y est vous avez une forme dans les mains qui correspond à votre éolienne. Reste à solidifier le montage et le rendre permanent.

Pour cela, vaporisez de la colle (ou résine au pinceau) seulement sur les U des tranches et du guide puis assemblez-les.
Découpez votre tissu de verre 500g/m² pour qu'il fasse le tour du profil autour du bord d'attaque. Positionnez-le pour vérifier que tout est couvert et dépasse. Coupez les angles pour permettre le recouvrement à l'encollage.
Vaporisez le tissu de verre de colle et positionnez-le définitivement sur le profil, recouvrez les angles.
Enfin, préparez une résine (de poids égal au poids du tissu) et appliquez là délicatement au rouleau à laquer en suivant les cartons, du bord d'attaque vers le bord de fuite, jusqu'à ce que le tissu devienne transparent et imbibe le carton. La résine dans le carton va solidifier l'âme de la pale, mais attention de ne pas surcharger en résine. Laissez sécher 24h à plat. 2eme couche de tissu (200g/m²) et résine pour avoir de la rigidité et faire une stratification (c'est un prototype non destiné à tourner donc la sur-épaisseur n'est pas prise en compte, mais 123D Make permet de gérer ce détail, à condition de connaître l'épaisseur de ses tissus avec la résine, vous pouvez donc rajouter autant de couches de tissu que nécessaire pour réaliser cette éolienne Force 6). Laissez sécher la pale suspendue par le guide 7 jours (les qualités mécaniques de la résine viennent après plusieurs jours, selon la température et la résine).
Découpe de ce qui dépasse à la meuleuse d'angle et finition aux papiers de verre (grain 120 sur les bavures, 220 sur l'ensemble sauf les détails fragiles, 400, éventuellement 600 et enfin 1000 (ponçage à l'eau)), rebouchage éventuel au mastic finition de carrossier et re-ponçage.
Si possible : apprêt et peinture au pistolet avec des produits pour carrosserie pour éviter que le soleil et la pluie commencent la délamination dans le tissu de verre et avec le carton.

Si vous avez réalisé ce tutoriel jusqu'au bout, vous ressentez la fierté de l'artisan qui a bien fait son travail. Félicitations !

Conclusion

J'espère que ce tutoriel détaillé vous a aidé à comprendre les éoliennes et les étapes vers un prototypage artisanal. Mon but étant de montrer qu'un produit industriel peut être reproduit dans des conditions spartiates, avec des moyens limités ou dans des pays en voie de développement ; et permettre de bien comprendre pourquoi une éolienne peut (ou pas) fonctionner selon son environnement, sa conception et sa qualité de fabrication.

Philippe Manzano

PS : Une approche Héliciel Export DirectX > Milkshape (shareware, chumbalum.swissquake.ch/ms3d) ou  > 3D Object Converter (shareware, http://3dconverter.webege.com) > OBJ produit un objet inutilisable, car trop simplifié.

Bibliographie :
http://www.heliciel.com (beaucoup de pages très très riches en explications et tutoriels)
http://lesvents.free.fr/Mythologie/La_vitesse_du_vent/la_vitesse_du_vent.html
http://eolienne.f4jr.org/eolienne_etude_theorique
http://en.wikipedia.org/wiki/Freeform_surface_modelling
http://5axes.free.fr/IGES_to_STL.htm
http://www.guzzitek.org/documents/divers/Resine.pdf