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Strom aus Wellen und Gezeiten – Automatisierte Herstellung von Rotorblättern

Strom aus Wellen und Gezeiten – Automatisierte Herstellung von Rotorblättern

© BS/111944©IFW
Fertigungsumgebung der automatisierten Rotorblattfertigung im CWD-Verfahren

Die Nutzbarmachung der Energie aus Gezeitenströmungen bietet ein großes Potenzial, um den erneuerbaren Anteil im Energiemix der Zukunft zu steigern. Die Herstellung von Rotorblättern für Gezeitenkraftwerke ist aktuell von einem überwiegenden Anteil manueller Arbeit gekennzeichnet. Im EFRE-Projekt AutoBLADE forscht das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover in Kooperation mit dem Institut für Flugzeugbau und Leichtbau (IFL) der TU Braunschweig und dem Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik (PuK) der TU Clausthal an einer automatisierten Technologie zur Herstellung von Rotorblättern für Gezeitenkraftwerke aus CFK (kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff).

Energiesysteme befinden sich weltweit in einer Umbruchphase. Erneuerbare Energien gewinnen zunehmend an Bedeutung und sind Hauptbestandteil einer erfolgreichen Energiewende. Im Fokus der erneuerbaren Energien stehen vor allem Solar- und Windenergie. Die Wetterabhängigkeit erschwert die Vorhersage der Energieeinspeisung in der Gesamtkapazitätsplanung. Im Vergleich dazu ist der Tidenhub vorhersagbar und schafft damit die Grundlage für eine verlässliche und klimafreundliche Nutzbarmachung der Energie aus Gezeitenströmungen. Allerdings sind Gezeitenkraftwerke aufgrund der hohen Stromgestehungskosten im Vergleich zu den etablierten regenerativen Technologien derzeit nicht konkurrenzfähig. Für eine bezahlbare Energiegewinnung sind Optimierungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette notwendig. Mit dem Ziel der automatisierten Herstellung von Rotorblättern leistet das Projekt AutoBLADE einen Beitrag zu einer effizienteren Energiegewinnung aus Gezeitenströmungen.

Die Rotorblätter in Gezeitenkraftwerken werden aufgrund von hohen strömungsinduzierten Belastungen aus dem Hochleistungswerkstoff CFK gefertigt. Während der Werkstoff im Verhältnis zu seiner Masse ausgezeichnete Festigkeiten aufweist, gestaltet sich die automatisierte Verarbeitung als herausfordernd. Dementsprechend ist der Großteil der Rotorblattfertigung derzeit von manueller Arbeit geprägt. Mit dem Continuous Wet Draping (CWD) hat das IFW in Zusammenarbeit mit seinen Kooperationspartnern am Standort in Stade eine automatisierte Technologie für die Herstellung komplex gekrümmter CFK-Bauteile entwickelt. Dabei werden trockene textile Halbzeuge mit aufgeschmolzenem Bindermaterial benetzt und anschließend mittels eines geometrieadaptierenden Andruckmoduls textilgerecht auf die Werkzeugoberfläche drapiert. Dadurch entsteht in einem additiven Prozess eine mehrlagige CFK-Preform. Diese wird in einem anschließenden Schritt mit der polymeren Matrix vakuuminfundiert und ausgehärtet. In einer vom IFW entwickelten Drapiersimulation ist es außerdem möglich, die Änderung der Faserorientierung in Folge der Drapierung auf komplexe Oberflächen vorauszusagen. Die Messdaten aus verschiedenen Legeversuchen des Projektes helfen dabei, diese Simulation zu validieren und zu optimieren.

Neben der Untersuchung des Drapierprozesses entwickelt das IFW im Projekt AutoBLADE eine Methodik zur Prüfung der Faserpreform. Unter Zuhilfenahme von mattierendem Entwicklerspray wird die stark reflektierende Kohlenstofffaseroberfläche mittels 3D-Oberflächenscan optisch erfasst. In einem vom IFW entwickelten Algorithmus wird der Oberflächenscan auf Geometrieabweichungen und Legefehler untersucht. Darüber hinaus lassen sich durch lokale Minima und Maxima in der Faserarchitektur die Verläufe der einzelnen Faserrovings bestimmen. Damit lassen sich Unterschiede in der Faserorientierung zwischen der Auslegung und der Realität ermitteln. Diese Informationen sind von hoher Relevanz, da die vorherrschende Faserorientierung maßgeblichen Einfluss auf die mechanischen Kennwerte des finalen Bauteils hat. Wie groß dieser Einfluss ist, wird im Projekt über eine FE-Analyse abgeschätzt. Dazu wird ein Modell erstellt, welches erlaubt, die gemessenen Faserorientierungen zu importieren und damit deren Einfluss auf mechanische Kennwerte zu ermitteln.

Derzeit durchläuft das Projekt in der letzten Phase die Demonstratorfertigung. Hierbei wird ein repräsentativer Abschnitt des Rotorblattes automatisiert mittels CWD gefertigt und anschließend vakuuminfundiert. Dazu kommt das im Projekt generierte Prozessverständnis zum Einsatz. Um die Qualität der Legetechnologie zu bewerten, wird die entstehende Preform lagenweise über die beschriebene Prüfmethodik analysiert. Damit steht zum Ende des Projektes eine skalierbare Fertigungstechnologie und eine Prüfmethodik für komplex gekrümmte Faserpreforms zur Verfügung.

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen Marco Bogenschütz, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 (0) 4141 - 77638 – 25 oder per E-Mail unter bogenschuetz@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.