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// Forschung

Um den CO2-Ausstoss und damit die möglichen Konsequenzen der globalen Erwärmung nachhaltig zu reduzieren, ist der Einsatz von regenerativen Energieformen Voraussetzung. In der letzten Ausführung des "Erneuerbare-Energien-Gesetzes" hat die Bundesregierung einen Anteil der regenerativen Energien im Jahre 2020 von mindestens 30 % festgelegt [1]. Der Anteil der Windenergie an den regenerativen Energien (Onshore- und Offshore-Windenergieanlagen) soll mit 50 % den größten Teil ausmachen. Dazu ist eine Verdoppelung der aktuellen Leistung notwendig. Vor dem Hintergrund des Offshore-Einsatzes von Windenergieanlagen (WEA) wird die Fertigungszeit sowie die Qualität der Rotorblätter eine noch stärkere Rolle einnehmen. Die Rotorblattlängen [2] und Stückzahlen [3] werden weiter ansteigen, zusätzlich muss eine hohe Verfügbarkeit der Anlagen sichergestellt werden. Bei einem Ausfall oder einer Reparatur von Offshore-Windenergieanlagen bzw. deren Komponenten fallen extrem hohe Aufwendungen an. Rotorblätter für Windenergieanlagen werden hauptsächlich aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen hergestellt. Durch die große Anzahl an verstärkenden Faserlagen sowie dem hohen zeitlichen und personellen Aufwand bei deren Drapierung ist die Fertigung von Rotorblättern zudem sehr kostenintensiv, dies beeinflusst die Wirtschaftlichkeit von Windenergieanlagen, die im Wesentlichen durch den Anlagenpreis, d. h. durch die Investition bestimmt wird.

In der Fertigung von Produkten aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen ist die Positioniergenauigkeit bzw. die Reproduzierbarkeit bei der Ablage der verstärkenden Halbzeuge bzw. Rovings ein entscheidendes Qualitätskriterium für die Eigenschaften des gesamten späteren Bauteils. Die Ausrichtung der Rovings relativ zueinander, als auch von Gelegen oder Geweben als Ganzes, müssen entsprechend der Bauteilbelastung erfolgen. Um die Fertigungszeit zu verringern sowie gleichzeitig die Qualität der Faserverbundbauteile zu erhöhen, ist eine Änderung der aktuellen Fertigungsprozesse notwendig.

Eine Kombination von automatisiertem Zuschnitt bzw. automatisierter Ablage der textilen Verstärkungsmaterialien und der preform-Technologie sowie der Harzinfusionstechnik ist ein geeigneter Lösungsansatz. Ein preform ist ein Lagenpaket mit trocken positionierten Faserhalbzeuglagen, dieses wird in die endkonturnahen Formen gebracht und mit Matrixharz injiziert.

Um die Automatisierung bestmöglich zu nutzen, ist die Komplexität der Ablage möglichst gering zu halten. Dazu sollen die preforms auf einer speziellen Vorrichtung bzw. einem speziellen Träger eben aufgebaut werden. Eine komplexe geometrische Form wird so während der automatisierten Ablage vermieden, die Vorteile einer Automatisierung in Bezug auf Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bestmöglich ausgenutzt. Nachfolgend muss der eben gelegte preform als Lagenstapel in die endkonturnahe Geometrie gebracht werden.

Das Verbundprojekt mapretec soll den nächsten Schritt für einen systemorientierten Ansatz verfolgen. Dazu sollen preforms für räumlich komplexere Teile eines Rotorblattes aufgebaut und exemplarisch in das Formwerkzeug eingebracht werden. Zum einen müssen dafür spezielle und erweitere preforming- und Bindertechniken entwickelt werden, zum anderen ist der Umformvorgang des gesamten Lagenstapels (Compact Moulding Technology, CMT) unter qualitativen Aspekten zu analysieren und zu bewerten. Dazu sind unter anderem CAE-Methoden und -Werkzeuge einzusetzen. Um erweitere Prozessparameter ermitteln und steuern zu können, ist geeignete Sensorik zu bestimmen und anzuwenden. Mit den in mapretec zu entwickelnden und zu untersuchenden Prozessen und Parametern soll es zukünftig möglich sein, die Fertigungszeit eines Rotorblattes durch das Einbringen fertig aufgebauter preforms deutlich zu verringern und zugleich die steigenden Qualitätsanforderungen zu erfüllen. Die Formbelegungszeiten werden durch die erweiterte preforming-Technologie deutlich reduziert.

mapretec-prozesskette
Abbildung 1: Prozessablauf zum Aufbau und zur Umformung (CMT) eines preforms (preforming) im Verbundprojekt mapretec [4]

Durch das zu entwickelnde Verfahren soll eine verbesserte Grundlage, für das Ziel, eine automatisierte Prozesskette zur Rotorblattfertigung gestalten und umsetzen zu können (vgl. Abbildung 1), geschaffen werden. Ein schnelleres, qualitatives und kostengünstigeres Fertigungsverfahren führt zu einer Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit, verhindert eine Verlagerung der Fertigung in Niedriglohnländer und sichert bzw. schafft qualifizierte Arbeitsplätze in der Bundesrepublik Deutschland. Zudem wird durch die kostengünstigere Investition für Windenergieanlagen deren Ausbau weiter gefördert, so dass die förderpolitischen Ziele des Energieforschungsprogramms, insbesondere zur CO2-Minderung, nachhaltig unterstützt werden.

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1: BMU (HRSG.): Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG) 2009, In: Bundesgesetzblatt Jg. 2008 Teil I, Nr. 49, Bonn : 31. Oktober 2008, S. 2074.

2: DEUTSCHES WINDENERGIE INSTITUT (HRSG.): Windenergie in Deutschland - Aufstellungszahlen für das Jahr 2009. http://www.dewi.de (Zugriff 15.07.2010)

3: SEIFERT, H.: Studie der Forschungs- und Koordinierungsstelle Windenergie (fk:wind). Bremerhaven, 2007

4: OHLENDORF, J.-H.; ROLBIECKI, M.; SCHMOHL, T.; MÜLLER, D. H.; THOBEN, K.-D.: Entwicklung von Handhabungseinrichtungen für biegeschlaffe Materialien - Automatisierter preform-Aufbau für Rotorblätter von Windenergieanlagen. In: Brökel, K.; Stelzer, R.; Feldhusen, J.; Rieg, F.; Grote, K.-H. (Hrsg.): 9. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik (KT2011). Rostock: Shaker Verlag, 2011, S. 141-146