Herausforderungen an die experimentelle Nachweiskette zur sicheren Auslegung von Compositebauteilen

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1 Herausforderungen an die experimentelle Nachweiskette zur sicheren Auslegung von Compositebauteilen - Beispiel Rotorblatt - Jens Ridzewski Dieses Dokument und alle darin enthaltenen Informationen sind das alleinige Eigentum der IMA GmbH Dresden. Die Zustellung dieses Dokumentes oder die Offenlegung seines Inhalts begründen keine Rechte am geistigen Eigentum. Dieses Dokument darf ohne die ausdrückliche schriftliche Genehmigung der IMA GmbH Dresden nicht vervielfältigt oder einem Dritten gegenüber enthüllt werden. Dieses Dokument und sein Inhalt dürfen nur zu bestimmungsgemäßen Zwecken verwendet werden. 1

2 Entwicklung der Windenergiebranche Anteil der Windenergie am europäischen Gesamtumsatz Ist 2011: ~5% Ziel 2030: ~33% Aktueller Trend Erhöhung der Leistungsfähigkeit durch größere WEA (bis zu 7,5 MW-Anlagen) Verstärkter Einsatz von WEA im Offshore-Bereich Verteilung der Stromerzeugung Deutschland Weltweit installierte Windenergieleistung Quelle: Wikipedia, 2011 Quelle: The European Wind Energy Association Report

3 Entwicklung von Rotorblättern Zielstellung der Rotorblattentwicklung Leistungssteigerung Lange Standzeiten Schadenstolerante Struktur Kurze Entwicklungszeiten Ressourcenschonung - Wettbewerbsfähigkeit Realisierung Optimale Ausnutzung der Materialeigenschaften Anwendung von Leichtbaulösungen Optimierte Technologien Detaillierte Kenntnis über das Strukturverhalten Eine erfolgreiche Entwicklung erfordert ein umfangreiches, entwicklungsbegleitendes Testprogramm, anhand der so genannten Testpyramide. 3

4 Philosophie IMA Testpyramide - Allgemein Großversuche Komponenten / Bauteile Teilkomponenten Konstruktionsdetails Grundbestandteil Werkstoffkomponenten 4

5 Bauteilberechnungsablauf nach VDI 2014 Blatt 3 Allgemeine Vorgehensweise bei der Bauteilentwicklung Vorgehensplan nach VDI Blatt 2 5

6 Die Testpyramide Full- Scale Rotorblatt Strukturen Holm, Blattabschnitte Substrukturen Blattanschluss, Verbindungen, Gurt Laminate Einzelschichten, multiaxiale Laminate Grundwerkstoffe Faser, Harz, Klebstoffe, Kernmaterialien 6

7 Aufbau eines Rotorblatts Rotorblattstruktur bestehend aus Holm (Stege und Gurte) Tragstruktur Schalen Abbildung des aerodynamischen Profils Schalen und Stege in Sandwichbauweise (GFK, Schaum, Balsa) Gurte als Volllaminate aus GFK oder CFK Strukturelle Verklebung der Bestandteile (PUR, EP, UP) Steg Schale Gurt Klebung Anschlussbereich zur Nabe Quelle: BASF 7

8 Ebene 1 Charakterisierung der Grundwerkstoffe Full- Scale Rotorblatt Strukturen Holm, Blattabschnitte Substrukturen Blattanschluss, Verbindungen, Gurt Laminate Einzelschichten, multiaxiale Laminate Herausforderungen Ebene 1 Grundwerkstoffe Faser, Harz, Klebstoffe, Kernmaterialien 8

9 Ebene 1 Charakterisierung der Grundwerkstoffe Alle in Rotorblättern eingesetzten Grundwerkstoffe müssen nach den Vorgaben der entsprechenden Gremien (Germanischer Lloyd, Det Norske Veritas, etc.) zertifiziert sein Grundwerkstoffe Fasern (Glasfaser, Kohlefaser) Harze (Epoxide, Polyester) Kernwerkstoffe (Balsaholz, Schäume, Wabenstrukturen) Klebstoffe Experimentelle Ermittlung der relevanten Eigenschaften für den Nachweis von Mindestkennwerten bzw. Kennwerten zur Auslegung Festigkeit Steifigkeit Thermisches Ausdehnungsverhalten Verhalten unter Temperatur und/oder Medien 9

10 Ebene 1 Charakterisierung der Grundwerkstoffe Übersicht der notwendigen Prüfungen für die Materialzulassung (Auszug) Zulassung/Zertifizierung Fasern Harze Klebstoffe Kernwerkstoffe Garnzugversuch Zugprüfung Zugscherprüfung Rohdiche Formbeständigkeit in Wärme Biegeprüfung Wasseraufnahme Schälprüfung Formbeständigkeit in wärme Langzeit- Zugscherversuch Wasserbeständigkeit Druckprüfung Schubprüfung Prüfung nach Wasserlagerung 10

11 Ebene 1 Charakterisierung der Grundwerkstoffe Harze Ermittlung der Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften Zugfestigkeit und E-Modul über Zugversuch an Reinharz-Flachproben Große Streuung der Versuchsergebnisse durch Schwachstellen (z.b. Poren) in der Probe alternativer Ansatz über 3-Punktbiegeprüfung Max. Zugspannung im Bereich der Lasteinleitung Versagen in diesem Bereich Bessere statistische Genauigkeit 11

12 Ebene 1 Charakterisierung der Grundwerkstoffe Zugversuch nach DIN EN ISO P-Biegeversuch nach DIN EN ISO

13 Ebene 1 Charakterisierung der Grundwerkstoffe Garnzugversuche an den Rovings Herausforderungen: - Streckung der Filamente im Roving - Tränkung der Faserstränge (Rovings) - Lasteinleitung in den getränkten Rovingstrang 13

14 Ebene 1 Charakterisierung der Grundwerkstoffe Klebstoffe Kriechneigung unter Belastung Klebstoffe neigen unter statischer Belastung zum Kriechen Langzeit-Zugscherversuch EN 1465 im Normklima 2,50 2,00 Probenversagen zwischen 60 und 70 h Belastungszeit 10% 20% 30% 40% 50% 60% Kriechdehnung [%] 1,50 1,00 0,50 0,00 0, Zeit [h] 14

15 Ebene 2 Laminatcharakterisierung Full- Scale Rotorblatt Strukturen Holm, Blattabschnitte Substrukturen Blattanschluss, Verbindungen, Gurt Laminate Einzelschichten, multiaxiale Laminate Herausforderungen Ebene 2 Grundwerkstoffe Faser, Harz, Klebstoffe, Kernmaterialien 15

16 Ebene 2 - Laminatcharakterisierung Laminate sind wesentliche Halbzeuge bei der Rotorblattfertigung Genaue Kennwerte sind essentiell für die Konstruktion und Berechnung der Struktur. Wichtige Kennwerte eines Laminats, z.b. UD oder BD sind: Festigkeiten (jeweils längs parallel und senkrecht zur Faserrichtung): Druck σ (-) II; σ (-) Zug σ (+) II; (+) ; σ Biegung σ b II; σ b Schub τ II Faservolumengehalt Steifigkeiten E (+) II; E (+) E (-) II; E (-) E b II; E b G II Quelle: Puck 16

17 Ebene 2 - Laminatcharakterisierung Ermittlung der Querzugfestigkeit eines UD-Laminats Herausforderung beim Zugversuch DIN EN ISO 527 Schwachstellen im Laminat (Poren) fertigungstechnisch nicht vermeidbar Wahrscheinlichkeit des Versagens steigt mit Länge des Prüfkörpers Ermittelte Querzugfestigkeit zu gering; hohe Streuung der Werte Alternativ Zugversuch mit zusätzlicher Längsverstärkung Markantes Knie in Spannungs-Dehnungs-Kurve Auswertung am Knie und Umrechnung der Festigkeit auf 90 -Schicht Geringere Streuung und höhere Festigkeiten Streuung 17

18 Ebene 2 - Laminatcharakterisierung Druckprüfung von UD-Laminat Herausforderung bei der Druckprüfung Biegeeinfluss muss auf ein Minimum reduziert werden Lasteinleitung der hohen Prüfkräfte ohne unzulässiges Versagen Spezielle Prüfvorrichtungen und Prüfkörper notwendig Große Anzahl von Normen verfügbar, z.b. DIN EN 2850 (Entwurf) DIN EN ISO IMA Druckprüfvorrichtung! ASTM D695 ASTM D6641 ASTM D695 DIN EN ISO

19 Ebene 2 - Laminatcharakterisierung Druckprüfung von UD-Laminat IMA Druckprüfvorrichtung nach DIN EN ISO Lasteinleitung stirnseitig (Formschluss) und über Schub kurze, freie Prüflänge zur Vermeidung von Stabilitätsversagen 2 DMS zur Dehnungsaufnahme und Überprüfung der Biegespannung hohe Anforderung an die genaue Fertigung der Proben Parallelität der Aufleimer 19

20 Ebene 2 - Laminatcharakterisierung Schubprüfung Herausforderung bei der Schubprüfung Komplexes Verhalten der FVK Erzeugung eines homogenen Spannungszustands Krafteinleitung Nichtlineares Verformungsverhalten Standardprüfung nach DIN EN ISO Ebene Streifenprobe mit ±45 Lagenaufbau Gute Ergebnisse für Schubmodul Schubfestigkeiten aber zu gering Für vollständige Charakterisierung nur bedingt geeignet 20

21 Ebene 2 - Laminatcharakterisierung Schubprüfung Prüfung an Rohrprüfkörpern nah ASTM D5448 Sehr gute Ergebnisse für Festigkeit und Steifigkeit Enormer Fertigungs- und Prüfaufwand Seltene Anwendung ASTM D7078 (V-Notched-Rail-Shear) Ebenfalls sehr gute Ergebnisse für Festigkeit und Steifigkeit Aufwendige, aber automatisierbare Prüfkörperherstellung Bevorzugte Schubprüfung ASTM D5448 ASTM D

22 Ebene 2 - Laminatcharakterisierung Entwicklung einer neuen Vorrichtung zur Schubprüfung Vorteile gegenüber der ASTM D7078: Querdehnung der Probe möglich Antisymmetrischer Aufbau Vermeidung von Biege- u. Torsionsverformung der Probe durch Linearführungssystem Schneller Probenwechsel mittels hydraulischer Einspannung Eignung gleichermaßen für quasistatische und zyklische Prüfung (auch Wechselbeanspruchung) Quelle: IMA

23 Ebene 2 - Laminatcharakterisierung Ermüdungseigenschaften der UD-Laminate Herausforderung bei zyklischen Tests von UD-Laminaten in Faserrichtung Sehr hohe Prüfkräfte erfordern hohe Spannkräfte Unzulässiges Versagen der Prüfkörper im Einspannbereich Unzureichende Informationen über FVK-Ermüdungsverhalten Optimierung der Prüfkörpergeometrie notwendig Quelle: Upwind 23

24 Ebene 2 - Laminatcharakterisierung Ermüdungseigenschaften der UD-Laminate Entwicklung UDFA-Prüfung (UniDirektional FAtigue) durch IMA Dresden Doppelt taillierte Prüfkörper mit zusätzlicher Knickstütze Reduktion des Prüfkörperquerschnitts Reguläres Versagen im Prüfbereich Verbesserte Erkenntnisse über das zykl. Verhalten von UD-Laminaten 24

25 Ebene 3 Substrukturtests Full- Scale Rotorblatt Strukturen Holm, Blattabschnitte Substrukturen Blattanschluss, Verbindungen, Gurt Laminate Einzelschichten, multiaxiale Laminate Herausforderungen Ebene 3 Grundwerkstoffe Faser, Harz, Klebstoffe, Kernmaterialien 25

26 Ebene 3 - Substrukturtests Untersuchungen an Substrukturen validieren Konstruktionsprinzipien und geben Aufschluss über Funktionsfähigkeit und Schadensverhalten Statische und dynamische Tests Hohe Anforderungen an Prüf- und Messtechnik Biegeprüfung an Sandwichelementen (Schale) Prüfung am Laminat des Blattwurzelbereiches Prüfungen an Lasteinleitungsbolzen (Gewindestangen) 26

27 Ebene 3 - Substrukturtests Druckversuche an geschäfteten Prüfkörpern Hintergrund Schäftungen sind eine gängige Übergangsgestaltung in Rotorblättern (z.b. in Schalen) Druckfestigkeit begrenzt durch Stabilitätsversagen im Bereich der Schäftung Verlässliche Festigkeitskennwerte nur durch FE-Simulation nicht möglich experimentelle Bestimmung notwendig 27

28 Ebene 3 - Substrukturtests Rotorblattanschluss an die Nabe Gestaltungsvarianten T-Bolzenanschluss und Gewindestange Metallische Inserts und Gewindestange Belastungen Bis zu 10 8 Lastwechsel Hohe Festigkeitsanforderungen an Laminat, Bolzen, Inserts und Gewindestange 28

29 Ebene 3 - Substrukturtests Beispiel T-Bolzenanschluss Laminatversagen aufgrund von Lochleibung oder Schub Messung Spannungsverteilung aufgrund der Vorspannung der Gewindestangen über optische Messtechnik (Aramis) 29

30 Ebene 4 Strukturtests Full- Scale Rotorblatt Strukturen Holm, Blattabschnitte Substrukturen Blattanschluss, Verbindungen, Gurt Laminate Einzelschichten, multiaxiale Laminate Herausforderungen Ebene 4 Grundwerkstoffe Faser, Harz, Klebstoffe, Kernmaterialien 30

31 Ebene 4 - Strukturtests Strukturtests an Blattsegmenten ermöglichen den Nachweis relevanter Blatteigenschaften und die Übertragung auf die Gesamtstruktur. Bauteilversuch an Rotorblattnase 3-Punktbiegeversuch Blattsegment 31

32 Ebene 4 Full-Scale-Test Full- Scale Rotorblatt Strukturen Holm, Blattabschnitte Substrukturen Blattanschluss, Verbindungen, Gurt Laminate Einzelschichten, multiaxiale Laminate Herausforderungen Ebene 5 Grundwerkstoffe Faser, Harz, Klebstoffe, Kernmaterialien 32

33 Ebene 5 Full-Scale-Test Der Full-Scale-Test bildet im Rahmen der Zulassung den Abschluss der Testpyramide Herausforderung Nachbildung der realen Betriebslasten (aus Windlasten, Eigengewicht, Rotation) Lasteinleitung ohne signifikante Beschädigung des Rotorblatts Auswahl erforderlicher Tests Art: Blattrichtung: statisch und dynamisch Flatwise und Edgewise 33

34 Ebene 5 Full-Scale-Test Zyklischer Rotorblatttest 34

35 Healths Monitoring Full- Scale Rotorblatt Health Monitoring Strukturen Holm, Blattabschnitte Substrukturen Blattanschluss, Verbindungen, Gurt Laminate Einzelschichten, multiaxiale Laminate Grundwerkstoffe Faser, Harz, Klebstoffe, Kernmaterialien 35

36 Structural Health Monitoring Structural Health Monitoring soll den detaillierten Einblick in das Versagensverhalten eines Rotorblatts ermöglichen. Applikation von Sensoren auf dem Rotorblatt zu einem umfassenden Netzwerk Methoden: Aufnahme akustischer Signale bei lokalen Schädigungen (Triangulation) Ultraschalluntersuchung mit Piezo Signalveränderung Schädigung Ausschwingversuche Veränderung der Eigenfrequenz Schallemission aufgenommen mit Piezoelementen Quelle: IZFP 36

37 Structural Health Monitoring Versuch an Schäftungen mit SHM-Systemen Video 37

38 Structural Health Monitoring Beispiel SHM mittels akustischer Überwachung Aufgezeichnete Schallemissionen an einem CFK-Hybridbauteil Beginn zykl. Versuch nach 4000 Zyklen 38

39 Schäden im Bauteil Typische Ablauf bei Composite-Bauteilen im Einsatz COMPOSITE- -BAUTEIL Einsatz Schaden Schadensdetektion Untersuchung Schadensausmaß Bewertung Schadenseinfluss Entscheidung Schadensbehebung I x - x II - - x III x x - 39

40 Typische Schäden Quelle: Schäfer, Aeroconcept, 1. AVK-Fachtagung - Reparatur Blitzschlag Rotorblatt Quelle: Cerbe, B.: Damages to rotor blades and their causes Quelle: IMA 40

41 Zerstörungsfreie Prüfung Thermographie Quelle: IMA Klopftest Quelle: IMA Visuellen Inspektion - Sichtprüfung Quelle: Schäfer, Aeroconcept, 1. AVK-Fachtagung - Reparatur Ultraschall Quelle: IMA 41

42 Reparaturverfahren Unterschiedliche Reparaturkonzepte Reparaturlagen in umgekehrter Reihenfolge Einseitige, gestufte Schäftung Reparaturlagen in gleicher Reihenfolge aber zu kurz Reparaturlagen in gleicher Reihenfolge aber zu lang Einseitige, gleichmäßige Schäftung Quelle: Schäfer, Aeroconcept, 1. AVK-Fachtagung Reparatur, 2012 NACHWEIS??? 42

43 Zusammenfassung Faserverbundkunststoffe erleben eine rasante Entwicklung und erschließen neue Märkte und Anwendungen. Das Fachwissen um die sehr komplexen FVK ist im Feld der Anwender noch nicht hinreichend verbreitet. Eine umfassende Werkstoffkenntnis ist die Voraussetzung für eine werkstoffgerechte Prüfung. Eine erfolgreiche Anwendung von faserverstärkten Kunststoffen in Strukturbauteilen erfordert eine geschlossene rechnerische und experimentelle Nachweisführung. Die Welt der Normen ist nicht statisch, sondern sollte mit Kompetenz in Bewegung bleiben. Im Interesse des Werkstoffs: Wir Werkstoffprüfer sind in der Verantwortung, die Bauteilentwickler auf die Notwendigkeit einer geschlossenen Nachweisführung hinzuweisen. 43

44 Zusammenfassung 44

45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Jens Ridzewski Merseburg, 13. Dezember 2012 Dieses Dokument und alle darin enthaltenen Informationen sind das alleinige Eigentum der IMA GmbH Dresden. Die Zustellung dieses Dokumentes oder die Offenlegung seines Inhalts begründen keine Rechte am geistigen Eigentum. Dieses Dokument darf ohne die ausdrückliche schriftliche Genehmigung der IMA GmbH Dresden nicht vervielfältigt oder einem Dritten gegenüber enthüllt werden. Dieses Dokument und sein Inhalt dürfen nur zu bestimmungsgemäßen Zwecken verwendet werden. 45