Basis für die strukturelle Auslegung von Rotorblättern bilden Materialprüfungen. Das IWES Nordwest verfügt über langjährige Erfahrungen in der Probenherstellung und der statischen und zyklischen Prüfung von Faserverbundwerkstoffen. Die Durchführung von Komponenten- und Strukturprüfungen können das Risiko für Schäden während der Lebensdauer eines Rotorblattes signifikant senken. Mit diesen Versuchen können Berechnungsmodelle und -methoden validiert, das Strukturverhalten nachgewiesen und die Bauweisen optimiert werden. Der Bereich ist Dakks-akkreditiert für die Bestimmung physikalischer Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen mittels mechanisch-technologischer und thermischer Prüfungen.

Zur Ermittlung von Materialeigenschaften ist eine umfangreiche Prüf- und Messinfrastruktur vorhanden. Die servo-hydraulischen Prüfmaschinen sind mit besonders steifen und präzisen Spannzeugen ausgestattet, die speziell für die Prüfung von Faserverbundprüfkörpern unter dynamischer Belastung entwickelt wurden. Die parallele Simulation klimatischer und mechanischer Lasten kann n einer Klimakammer - normgerecht (DIN/ISO), kontrollierbar und reproduzierbar - vorgenommen werden.

Je nach Fragestellung werden Materialien wie Gelege, Harze oder Schäume auf ihre Eignung für Rotorblätter untersucht. Zusätzlich erfolgt eine Betrachtung von Sonderlösungen wie Fixiermitteln, speziellen Handhabungstechniken aus der Fertigung oder neuen Detailumsetzungen.

Wirtschaftliche Auswirkung auf den Herstellungsprozess

Anhand von Modellen ist eine fundierte Einschätzung der wirtschaftlichen Auswirkungen neuer Materialien oder Verfahren auf den Herstellprozess möglich, so dass ein umfassendes Benchmarking neuer Produkte vorgenommen werden kann.

Systematische Optimierung von Prüfverfahren

Die fortwährende Beschäftigung mit der Verbesserung von Prüfverfahren und -methoden setzt bei der Probenfertigung und den Prüfabläufen an und beinhaltet auch die Entwicklung von neuen Testaufbauten. Dafür werden experimentelle Ansätze mit numerischen und analytischen Methoden kombiniert.

Non-destructive Testing

Darüber hinaus wird eine Vielzahl zerstörungsfreier Prüfungen angeboten, die genaue Aussagen über den Schadensverlauf während einer mechanischen Prüfung liefern.

Materialprüflabor

Die 2,5 MN- und 1 MN-Prüfmaschine beanspruchen bis zu 3 Meter lange Proben mechanisch mittels eines Hydraulikzylinders in statischen und zyklischen Prüfungen. Sie sind mit besonders steifen und präzisen Spannzeugen ausgestattet und eignen sich sowohl für Faserverbund-proben und dicke Laminate als auch für Stahlproben. Meganewton-Maschinen sind sehr gut geeignet, um Stellvertreterversuche für hochbelastete Strukturen - wie Rotorblattanschlüsse - durchführen zu können. Daran lassen sich Berechnungsmodelle für die Realität validieren. Die Meganewton-Maschinen zur Materialprüfung bringen max. 2.500 kN statisch und 2.000 kN Kraft dynamisch auf den Prüfling auf. Horizontal schließende Hydraulik-Spannbacken, T-Nuten-Tisch sowie ein Hallenkran ermöglichen ein flexibles und schnelles Handling der Prüflinge.
Um die Proben für Offshore-Anwendungen zu qualifizieren können sie vor dem Einspannen in die Maschine in Meerwasser ausgelagert werden. Der nächste Ausbauschritt ist die Kopplung der 1 MN-Maschine mit einer Klimakammer, die die Materialproben dann unter reproduzierbaren Bedingungen gleichzeitig mechanisch und klimatisch beanspruchen kann.
Materialprüfungen werden heute meist uniaxial, d.h. in eine Richtung durchgeführt. Gleichzeitig sind die Beanspruchung in realen Strukturen meist mehraxial und Faserverbundwerkstoffe z.B. stark anisotrop. Für die Modellbildung und -validierung ist es erforderlich, auch biaxiale Versuche durchzuführen - das wird dank einer neuen 100 kN-Maschine für Rundproben möglich. In axialer Richtung kann eine Kraft von 100 kN Zug oder Druck aufgebracht werden, zusätzlich 2000 Nm Torsion bei einem Winkel von +/- 45°. Die vierte Maschine bedient mit 25kN Messungen im niederen Kraftbereich.

Komponentenprüfung

Individuelles Prüfkörperdesign für Querkraftbiegebalken
Einen Schwerpunkt bildet die Prüfung von Querkraftbiegebalken, auf die eine spezielle Kombination aus Schub- und Axialbeanspruchungen wirkt. Sie liefert Messdaten zu den Eigenschaften der Gurt-Steg-Verklebung auf Rotorblättern. Die Anpassung des Prüfkörper-designs ermöglicht die Einstellung des Verhältnises von Schub- und Axialspannung im Prüfling, die Auswahl verschiedener Klebnahthöhen und die gezielte Einbringung künstlicher Fehler in die Klebnaht.

Werkstoffvergleich von neuen Produkten

Im Rahmen von Ermüdungsversuchen können unterschiedliche Klebstoffe verglichen und ihre jeweiligen Fehlerschwellen sowie die zulässigen Klebnahthöhen ermittelt werden. Daran schließt sich der Abgleich mit gültigen Standards an. Dies hat einen entscheidenden Vorteil gegenüber den marktüblichen Verfahren: Ein Werkstoffvergleich von neuen Produkten wird unter rotorblattspezifischen Bedingungen bereits in der Designphase möglich.

Fundierte Kenntnis des Laminatverhaltens

Auch das Laminatverhalten mit Lagenabstufungen kann anhand von Komponenten ermittelt werden. Insbesondere unter Ermüdungsbeanspruchung bilden sich – abhängig vom Material – Schäden, die zu Delaminationen führen können. Gerade bei der Verwendung immer dickerer Halbzeuge ist die Kenntnis des Delaminationbeginns entscheidend. IWESWissenschaftlerInnen ist es durch systematische Versuche und verbesserte Zuschnittsgeometrien der Lagenab-stufungen gelungen, das zulässige Dehnungsniveau zu erhöhen.

TECHNICAL DATA

Material test laboratory equipment
  • Servo-hydraulic universal test machines: max. force range of 50 to 250 kN for static and dynamic testing
  • Servo-hydraulic compression-tension test machine: max. force range of 100 kN/1 kNm
  • Measuring technology: Measuring computer with up to 12 channels per test machine
  • Test equipment for ASTM: ISO and DIN testing specific to rotor blade issues
Equipment component test rig
  • Three clamping plates with max. dimension of 12 x 3 m

CONTACT

Dipl.-Ing. Florian Sayer
Structural Components, Fraunhofer IWES North-West
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