Schichtarbeit am Faserkunststoff

Raimund Rolfes

Um den Ertrag von Windenergieanlagen und ihre Wirtschaftlichkeit zu steigern, geht der Trend zu immer größeren Rotorblättern. Nur bei einer konsequent leichtbauorientierten Konstruktion sind die von der Industrie angestrebten Blattlängen realisierbar, um die Energieerträge aus Wind­turbinen langfristig zu maximieren und gleichzeitig bezahlbar zu gestalten. Die im Rotorblattbau typischen Glasfaser-Kunststoff-Werkstoffe (GFK) stoßen bei den überproportional steigenden Gewichten an ihre mechanischen Leistungs­grenzen, sodass der Bedarf an innovativen Leichtbaumaterialien steigt. Diese benötigten neuen Materialien sollen hoch belastbar und leicht sein.

Am Institut für Statik und Dynamik (ISD) der Leibniz Universität Hannover werden computergestützte Methoden entwickelt, die eine effiziente und kostengünstige Materialentwicklung sowie virtuelle Teststände für Bauteile aus neuartigen Verbundwerkstoffen ermöglichen. Im Projekt Lenah (Lebensdauererhöhung und Leichtbauoptimierung durch nanomodifizierte und hybride Werkstoffsysteme im Rotorblatt) widmete sich das ISD bereits in Zusammenarbeit mit dem Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des DLR und dem Fraunhofer Institut für Windenergiesysteme der grundlegenden Erforschung entsprechender hybrider und mit Nanopartikeln geimpfter Materialsysteme. Im Nachfolgeprojekt Hannah (Herausforderungen der industriellen Anwendung von nanomodifizierten und hybriden Werkstoffsystemen im Rotorblattleichtbau) stießen zu dem Lenah-Konsortium die Firmen Invent GmbH, Tecosim Technische Simulation GmbH, Sinoi GmbH und Zeisberg Carbon GmbH hinzu. Das Projekt Hannah widmet sich der konkreten industriellen Anwendbarkeit der erforschten hybriden Materialsysteme.

Hybride Laminate

Hybride Laminate stellen eine spezielle Werkstoffklasse im Bereich der Faserverbundwerkstoffe dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen wie glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder kohlenstofffaser­verstärktem Kunststoff (CFK) werden hier verschiedene Materialien in einem Laminataufbau Schicht für Schicht übereinandergelegt. Statt wie bei üblichen Faserverbundwerkstoffen lediglich die Ausrichtung der Fasern je Lage zu variieren, werden bei hybriden Laminaten Lagen aus gänzlich unterschiedlichen Materialien verwendet. In den Projekten Lenah und Hannah werden unter anderem Hybridlaminate erforscht, die herkömmliches GFK mit Edelstahlfolien kombinieren.

Aus Sicht der Forscher bieten GFK/Edelstahl-Hybridlaminate ein enormes Potenzial, um vor allem mechanische Verbindungen im Rotorblatt robuster und doch gewichtssparender konstruieren zu können. Derartige Verbindungen werden insbesondere für die Anbindung der Rotorblätter an die Turbinennabe benötigt. Für diese aus zwei senkrecht zueinander verschraubten Bolzen bestehenden T-Bolzen- oder auch „Ikea“-Verbindungen müssen Löcher in das Laminat gebohrt werden, wodurch Fasern durch­trennt werden und das Verbundlaminat somit eine gewisse Vorschädigung erfährt. Darüber hinaus erzeugen Löcher in jedem Material lokale Spannungskonzentrationen, durch die Faser­verbundwerkstoffe naturgemäß besonders schnell geschädigt werden können. Aufgrund ihrer Materialeigenschaften können Edelstahleinlagen diese Nachteile des Verbundwerkstoffs in Teilen kompensieren und sorgen für verbesserte mechanische Eigenschaften (bis zu 100-prozentige Steigerung der gewichtsbezogenen Festigkeit unter statischer Last, deutlich gesteigerte Lebensdauer unter zyklischer Last), welche im Projekt Lenah dokumentiert werden konnten.

Auf dieser Grundlage aufbauend wird sich das Projekt Hannah der konkreten industriellen Anwendung widmen. Das ISD entwickelt in diesem Zusammenhang computergestützte Modelle, welche das Schädigungsverhalten von mechanischen Bolzenverbindungen in GFK/Edelstahl-Hybridlaminaten vorhersagen sollen. Diese Schädigungsmodelle sollen den Anwender vorhersehen lassen, wie sich die mechanische Verbindung unter einer definierten Beanspruchung verformt, ob und welche Schäden zu erwarten sind und wie sich diese Schäden auf das mechanische Verhalten der Verbindung auswirken. Eine Gegenüberstellung zwischen dem berechneten sowie dem getesteten Schädigungsbild einer GFK/Edelstahl-Hybridlaminatverbindung lässt erkennen, dass die virtuelle Simulation solche Risse bereits richtig verortet.

Letztlich sollen diese Schädigungsmodelle im Rahmen virtueller Teststände genutzt werden können. Diese virtuellen Teststände könnten dann zur Reduktion der Entwicklungskosten von neuartigen Blatt- und Verbindungsdesigns beitragen, da experimentelle Versuchskampagnen während der Entwicklungsphase reduziert werden könnten.

Nanomodifizierte Werkstoffe

Zusätzlich zu den GFK/Edelstahl-Hybridlaminaten im Blattanschlussbereich können nanomodifizierte Materialsysteme im gesamten Rotorblatt übliche Materialien ersetzen. Nanopartikel können sowohl bei Klebstoffen (Ober- und Unterschale des Rotorblatts werden verklebt) als auch in GFK und CFK der Rotorblätter zum Einsatz kommen. Bereits im Vorgängerprojekt Lenah wurde durch die Integration von kommerziellen, also handelsüblichen Nanopartikeln die Rissausbreitung in Kompositen effektiv behindert.

Um den Einfluss von nanoskaligen Zusätzen auf das Materialverhalten zu analysieren, wurde am ISD eine Multi-Skalen-Analyse entwickelt. Mit diesem Ansatz können die positiven Effekte der Nanopartikel von der Nanoskala, hier geht es insbesondere um die Interaktion der Nanopartikel mit dem Epoxidharz, bis zur Makroskala, dies beinhaltet eine Analyse von Bauteilen, genau beschrieben werden.

Virtuelle Teststände für Verbundwerkstoff

Zunächst wird auf der Nanoskala ein virtuelles Modell des Werkstoffs erstellt. Hierbei ist es gelungen, das Aushärteverhalten (von flüssig zu fest) nanopartikelhaltiger Klebestoffe oder epoxidharzgetränkter Laminate sehr genau nachzubilden. Anschließend wurden mit virtuellen Tests Materialeigenschaften des ausgehärteten Nanokomposites bestimmt, um den Einfluss der Nanopartikel in Abhängigkeit des Gewichtsanteils zu erfassen. Die ermittelten Mate­rialeigenschaften wiederum werden zur Kalibrierung von Materialmodellen auf der nächst höheren Längenskala genutzt. Diese Materialmodelle ermöglichen schließlich die Berechnung von Bauteilen.

In dieser zweiten Stufe nutzt das Modell die errechneten Materialeigenschaften, um sie in den konkreten Anwendungszweck des Rotorblatts einzubinden. Dies ermöglicht, das Verhalten der ganzen Struktur zu ermitteln. Ziel ist es letztendlich, die verbesserten Materialeigenschaften optimal auszunutzen, um einerseits die Menge des nötigen Materials zu reduzieren und andererseits eine gleiche oder sogar höhere Steifigkeit und Festigkeit zu erreichen. Der intelligente Einsatz von Nano­kompositen ermöglicht so mittelfristig die Umsetzung größerer Rotorblattstrukturen.

Das ISD kann im Fachgebiet der computergestützten Materialentwicklung auf ein breites Grundwissen und langjährige Erfahrung aufbauen. Im DFG-geförderten Projekt „Wirkprinzipien nanoskaliger Matrixadditive für den Faserverbundleichtbau“ arbeitet es derzeit auch an der Effizienz der Computermethoden. Insgesamt dient die computergestützte Materialentwicklung als Vorstufe zur experimentellen Erprobung, um vorab vielversprechende Materialkombinationen aufzudecken, was bisher nur durch eine zeit- und kostenintensive experimentelle Studie möglich gewesen wäre.

Im Projekt Hannah möchte das ISD mithilfe dieser computergestützten Materialentwicklung konkret die Schwindung von Klebefugen mit Nanopartikeln positiv beeinflussen. Beim Aushärten des Klebstoffs geht das Volumen der bis zu ein oder zwei Zentimeter dicken Klebenaht zwischen den Rotorblatthalbschalen bereits in der Fertigung um einige Prozent zurück, wobei Zugkräfte auf das Material entstehen, die zu kleinen Rissen in der Fuge führen können. Zu beobachten ist, dass sich solche Schwindungen bei Zugabe von Nanopartikeln und klein geschredderten Glasfasern verringern lassen.

Auch geht es um Materialeigenschaften in realistischen Umgebungsbedingungen, welche beispielsweise durch Feuchtigkeit und eine große Temperaturspanne gegeben sind. Denn die innovativen Materialkonzepte müssen zuverlässig in jeder klimatischen Umgebung funktionieren, um im Rotorblattleichtbau neue Standards zu setzen.

Industrielle Akzeptanz

Mit den computergestützten Methoden leistet das ISD einen wichtigen Beitrag zur industriellen Akzeptanz der für die Windenergie benötigten neuen Werkstoffsysteme. Vor dem Hintergrund der digitalen Revolution der Industrie werden nur diejenigen Werkstoffsysteme zur breiten Anwendung kommen, für die geeignete Berechnungsmodelle verfügbar sind.

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