Verbundwerkstoff

Leichte Rotorblätter aus Kunststoffschäumen

| Redakteur: Dorothee Quitter

Rotorblätter aus thermoplastischen Sandwichmaterialien.
Rotorblätter aus thermoplastischen Sandwichmaterialien. (Bild: Fraunhofer ICT)

Fraunhofer-Forscher entwickeln gemeinsam mit Industriepartnern hochbelastbare thermoplastische Schäume und Verbundwerkstoffe, die die Blätter von Offshore-Windrädern leichter und recycelbar machen. Dank ihrer besonderen Eigenschaften eignen sich die neuen Materialien auch für andere Leichtbaustrukturen, etwa im Automobilbereich. Erste Demonstratoren sind auf der K 2016 zu sehen.

Die Tendenz zu immer größeren Offshore-Windenergieanlagen ist ungebrochen. Windräder mit bis zu 80 Meter langen Rotorblättern und einem Rotordurchmesser von über 160 Metern sollen für maximale Energieausbeute sorgen. Da die Länge der Blätter durch ihr Gewicht begrenzt wird, müssen leichte Systeme mit großer Materialfestigkeit entwickelt werden. Die Reduktion von Gewicht erleichtert die Montage, den Abbau sowie die Stabilität der Anlagen auf See. Im EU-Projekt WALiD (Wind Blade Using Cost-Effective Advanced Lightweight Design) widmen sich Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT in enger Zusammenarbeit mit zehn Partnern aus Industrie und Forschung dem Leichtbaudesign von Rotorblättern. Durch eine Verbesserung von Design und Material soll das Gewicht reduziert und damit die Lebensdauer verlängert werden.

Thermoplaste ersetzen Materialien auf Duroplast-Basis

Heutzutage werden Rotorblätter für Windkraftanlagen größtenteils in Handarbeit aus duromeren, aushärtenden Harzsystemen hergestellt. Diese lassen sich nicht aufschmelzen und sind für werkstoffliches Recycling ungeeignet. Allenfalls werden Granulate aus duromeren Altkunststoffen als Füllstoffe in einfachen Anwendungen wiederverwertet. Im WALiD-Projekt werden erstmals thermoplastische, schmelzbare Kunststoffe verwendet, die mit Hilfe von automatisierten Fertigungsanlagen effizient verarbeitet werden können. Ziel ist es, die enthaltenen Glas- und Kohlenstofffasern zu separieren und das thermoplastische Matrixmaterial wiederzuverwerten.

Für die Außenhülle des Rotorblatts sowie für Segmente der inneren Tragstruktur verwenden die Projektpartner Sandwichmaterialien aus thermoplastischen Schäumen und faserverstärkten Kunststoffen. Generell werden für die höchstbelasteten Bereiche des Rotorblatts kohlenstofffaserverstärkte Thermoplaste eingesetzt, wohingegen Glasfasern die weniger belasteten Bereiche verstärken. Für den Sandwichkern wurden thermoplastische Schäume entwickelt. Diese werden in Sandwichbauweise mit Decklagen aus faserverstärkten Thermoplasten miteinander verbunden – eine Kombination, die die mechanische Festigkeit, die Leistungs- und Widerstandsfähigkeit sowie die Langlebigkeit des Rotorblatts verbessert.

Leichtbaustoff für neue Anwendungen

Die Schäume des ICT bieten bessere Eigenschaften als bisherige Materialsysteme und ermöglichen so völlig neue Anwendungen – etwa im Automobilbereich sowie in der Luft- und Schifffahrt. Im Fahrzeug nutzen Hersteller geschäumte Stoffe bislang beispielsweise in der Sonnenblende oder im Sitzbereich, aber nicht für lasttragende Strukturen. Die aktuellen Schäume haben Limitationen, etwa was die Temperaturbeständigkeit anbelangt. Daher lassen sie sich beispielsweise nicht als Isolation näher an den Motor verbauen. Die aufschmelzbaren Kunststoffschäume des ICT hingegen sind temperaturstabil und eignen sich etwa als Dämmmaterial motornaher Bereiche. Sie widerstehen dauerhaft höheren Temperaturen als beispielsweise expandierter Polysterolschaum (EPS) oder Polypropylen (EPP). Aufgrund der verbesserten mechanischen Eigenschaften sind sie auch als Türmodul vorstellbar oder als Versteifungselement im Sandwichverbund. (qui)

K 2016: Halle 7.0, Stand SC01

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