Kunststoffschäume machen Rotorblätter leichter

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Offshore-Windenergieanlagen werden immer größer. 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 Pfinztal in Zusammenarbeit mit zehn Partnern aus Industrie und Forschung der Leichtbaukonstruktion von Rotorblättern, wie das Fraunhofer ICT bekannt gibt. Durch eine Verbesserung von Design und Material soll das Gewicht reduziert und damit die Lebensdauer verlängert werden. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften würden sich die neuen Materialien auch für andere Leichtbaustrukturen, etwa im Automobilbereich, eignen.

Thermoplaste ersetzen Materialien auf Duroplast-Basis

Heutzutage werden Rotorblätter für Windkraftanlagen größtenteils in Handarbeit aus duromeren, aushärtenden Harzsystemen hergestellt, wie die Forscher erklären. 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 verfolgen wir ein völlig neues Blattkonzept. Wir wechseln die Materialklasse und verwenden für Rotorblätter erstmals thermoplastische, schmelzbare Kunststoffe, die wir mithilfe von automatisierten Fertigungsanlagen effizient verarbeiten können", sagt Florian Rapp, Wissenschaftler am ICT. Ziel sei 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 entwickeln Rapp und sein Team thermoplastische Schäume. 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 verbessern soll.

Leichtbaustoff auch für Automobilbereich geeignet

Die Schäume des ICT sollen zudem neue Anwendungen im Automobilbereich sowie in der Luft- und Schifffahrt ermöglichen. 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, so die Forscher. "Unsere aufschmelzbaren Kunststoffschäume 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 seien sie auch als Türmodul vorstellbar oder als Versteifungselement im Sandwichverbund", berichtet Rapp. Sie ließen sich zügig verarbeiten und sollen Material einsparen. Ein weiteres Plus: Im Vergleich zu nachwachsenden Sandwichkernmaterialien wie Balsaholz sind die thermoplastischen Schäume besser verfügbar.

Die Herstellung der Materialien erfolgt in der institutseigenen Schaumextrusionsanlage in Pfinztal. Rapp erläutert den Prozess: "Wir schmelzen das Kunststoffgranulat auf, mischen in die Kunststoffschmelze ein Treibmittel und schäumen den Werkstoff auf. Die geschäumten, stabilisierten Halbzeuge und Partikeln lassen sich in der Folge beliebig formen und schneiden." Im Bereich geschäumter Polymere deckt die Arbeitsgruppe Schäumtechnologien des ICT die komplette Fertigungskette für thermoplastische Schäume ab: von der Materialentwicklung und Herstellung extrusionsgeschäumter Partikel oder Halbzeuge bis hin zum Formteilprozess sowie dem fertigen Bauteil.