Innovationen zur Industrialisierung der Rotorblattherstellung am Beispiel von Sandwichstrukturen

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1 DLR Wissenschaftstag 2016 Innovationen zur Industrialisierung der Rotorblattherstellung am Beispiel von Sandwichstrukturen Christian Dörsch, Maik Wefer Braunschweig. 20. September 2016

2 Manufacturing Technologies and Process Evaluation The Family : Fraunhofer

3 Aktuelle Herausforderungen in der Blattfertigung 40 m (onshore) Produktionskosten (Blätter haben einen Anteil von % der Kosten von Onshore-WEA) Produktionslogistik Gleichbleibende Qualität, Prozessrobustheit Formbelegungszeiten L = 40 m m = 5,7 t C max = 2,8 m = 1,8 m 80 m + X (offshore) Zuverlässigkeit Reparaturkosten offshore Herstellbarkeit (händische Erreichbarkeit) Handling von großen vorgeschnittenen Textilen L = 80 m m = 31 t C max = 6,1 m = 4 m

4 Sandwich-Strukturen in WEA-Rotorblättern 30% 3% 3% 5% 59% Stand der Technik Rotorblattfertigung Blätter haben deutlichen Anteil an WEA-Kosten (15 bis 20 %) Zunehmende Blattlänge bringt manuelle Fertigung an ihre Grenzen Kostengünstigere Werkstoffe Effizientere Prozesskette Materialkosten costs Labor Lohnkosten costs Investments Investitionen Other Sonstige Interest Zinsen

5 Verbundwerkstoffherstellung für Blätter und Strukturen Die Mission Prozessanalyse und entwicklung Prozessintegration Hoher Reifegrad durch Prozessabsicherung mittels Validierung Demonstration mit industriellem Ansatz Die Vision Industrialisierte Blattfertigung für konstante Qualität Erprobte Prozesse für verkürzte Anläufe Hohe Zuverlässigkeit für Hochleistungsblätter Reduktion der Cost of Energy Fraunhofer

6 Lösungsansatz: BladeMaker-Demozentrum Materialien Prozessdemonstration Prozesse Demonstratoren Equipment Prüfung

7 Maschinenkonzept und Fertigungssystem Zwei unabhängige Portalroboter jeweils 6 DOF, +-0,1mm Genauigkeit Arbeitsraum: 25m (L) x 4,35m (W) x 2,3m (H) Jeweils Tragfähigkeit von 400kg 2,5m/s Geschwindigkeit, 5m/s² Beschleunigung Schwerlastplattform (Tragfähigkeit von 3500kg) Siemens 840D CNC-Steuerung Volle CAD-CAM-Integration für Offline-Programmierung Verfügbar für Evaluation neuer Prozesse/Materialien Demonstration neuer Prozesstechnologien

8 Herstellung von Sandwich-Strukturen für Rotorblätter Harzmembran Vakuumpumpe Gelege Gurt Hinterkante Blattform Durchflussmedium Vakuumfolie Abreißgewebe, Lochfolie, Fließhilfe Kernmaterial Harzeinlass automatisierte Ablage der Glasfasern automatisierter Aufbau der Kernwerkstoffe in der Form Gurt Vorderkante Infusionskanäle Holmgurt

9 Industrialisierte Fertigung von Sandwich-Strukturen Kernschäumen sinnvollerweise In-Situ-Schäumen Potentielle Vorteile: benötigt Keine Kit-Herstellung Geringerer Harzverbrauch Hohes Automatisierungspotential Ansatz A) Einsatz von Prepregs Reduktion von Imprägnierungsfehlern während Infusion Zeiteinsparung Entfall Infusion Möglicherwiese Kosten? Ansatz B) Adaptation des Infusionsprozesses Separate Tränkung der Innen- und Außenhaut Multiple Infusionskanäle

10 Ansatz A: Einsatz von Prepregs für wirtschaftliche Sandwich-Produktion Prepregging mit Rovings statt Gelegen Verringerte Materialkosten Hausinternes Prepregging Keine gekühlte Lagerung, Ausschaltung von potentiellen Fehlerquellen Prepreg-Harz erlaubt höhere Aushärtetemperaturen (besser als Infusion) Verringerte Prozesszeit Automatisiertes Ablegen > 500 kg/h Legerate

11 Wirtschaftliches hausinternes Prepregging Misch-& Dosier- Equipment Spulengatter Heizung Spreizeinrichtung Tränkung Kühlung Aufrollvorrichtung Trennfolie

12 Ansatz B: Adaptierter Infusionsprozess Herausforderungen: Separate Infusion von Innen- und Außenlagen form-integrierte Infusionskanäle Zusätzliche Fließhilfe (Wirrfaser) Spiralschlauch zur Vakuumpumpe Gelege, zusätzliche Fließhilfe Vakuumfolie, Fließhilfe, Lochfolie, Abziehgewebe, Gelege Spiralschlauch zur Vakuumpumpe Harzeinlass Form-integrierte Infusionkanäle Holmgurt

13 Design- und Materialwahl für neues Kernmaterial Materialvergleich: Die Kompressionsmoduli sind bei PU geringer als die von PVC bei gleicher Dichte Design-Vorgabe: Belastbarkeit und Gewicht soll vergleichbar sein Fragen: a) Erhöhung der PU-Schaum- Dichte oder Kerndicke nötig? b) Kosten und Blattmasse? Kompressionsmodul [MPa] Dichte [kg/m³] C70.55 C70.75 PU150 PU500

14 in principio erat Blatt a = 20m b = 1m F 2 x Gelege (0 /±45 ), Schichtdicke 0,86 mm Fließhilfe PU-Schaum t d Material PVC (Airex C70.75) = Referenz Dichte 80 kg/m³ kg/m³ PU Kerndicke 20 mm mm

15 Strukturanalyse: Strukturanalyse-Ansatz Lastfall: einaxiale Druckbelastung Randbedingung: zweiseitg gelenkig gelagert Berechnung der kritischen Beullast für die unterschiedlichen Sandwich-Strukturen b = 1m a = 20m F 1. Globales Beulen 2. Hautknittern (lokales Hautbeulen), F, b 8E,E, t 3 d

16 Strukturanalyse Auswahl der wirtschaftlichsten und gewichtssparenden Sandwichaufbaus!

17 Masse- und Kostenanalyse Angaben für Gewicht und Kosten enthalten: Kernmaterial, Glasfaser-Gelege (2 /kg), Harz (4 /kg), Fließhilfe (2 /kg)

18 Struktur- und Kostenanalyse -4% -23% Beste PU-Sandwich-Parameter: 150 kg/m³ Dichte, 19,5 mm Dicke Die höhere PU-Dichte wird durch die geringere Harzaufnahme dank neuem Infusionskonzept kompensiert Kostenvorteile dank umgangenem Kitting-Schritt und verringerter Harzaufnahme

19 Zusammenfassung & Ausblick Hohes wirtschaftliches Potential verringerte Gesamtmaterialkosten kein Mehrgewicht Verbesserte Logistik, weniger Lagerfläche erforderlich Geringere Harzaufnahme durch fehlende Schlitze und Bohrungen in Kernwerkstoffen Gesamtdemonstration im BladeMaker- Projekt: In-Situ-Schäumen Absicherung der Infusionsstrategie Hausinternes Prepregging Automatisiertes Ablegen Prepreg

20 Fragen? Sprechen Sie uns an! Dipl.-Ing. Christian Dörsch Gruppenleiter Fertigungstechnologie und Prozessevaluation Bereich Strukturkomponenten Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES Am Seedeich 45, Bremerhaven, Germany Phone: +49 (0) 471 / Fraunhofer

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