Rotorblätter machen rund 20 % der Gesamtkosten einer Windenergieanlage aus. Mithilfe neuer Materialien und optimierter Prozesse soll der Fertigungsablauf weiter optimiert und die Qualität gesteigert werden - noch immer stecken erhebliche Optimierungspotenziale in der Fertigungskette. Ziel ist es, Rotorblätter für Windenergieanlagen nachhaltiger, schneller und zuverlässiger zu fertigen – bei möglichst geringen Kosten.
Aufbau der Testumgebung im BladeMaker-Demozentrum
Im Rahmen des Forschungsprojekts BladeMaker hat das Fraunhofer IWES in den letzten zehn Jahren das BladeMaker-Demozentrum in Bremerhaven aufgebaut und in Betrieb genommen und damit eine realitätsnahe Testumgebung geschaffen, in der ganzheitliche Prozesse entwickelt werden können, um die Rotorblattfertigung weiter zu automatisieren und zu industrialisieren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler betrachten hierbei das Rotorblattdesign, die Werkstoffe und die Fertigungsverfahren und prüfen, wie potenzielle Automatisierungen umgesetzt werden können. Bisher erfolgen viele Fertigungsschritte der Rotorblätter nacheinander und noch immer manuell im Hauptformwerkzeug des Rotorblatt-Rohlings. Dem Projektteam ist es unter anderem gelungen, ein Formwerkzeug zu bauen, ohne dafür zunächst ein 1:1 Urmodell des Blattes zu erstellen: Ohne diese Zwischenstufe können Hersteller rund zwei Monate bei der Blattproduktion einsparen. Mittels einer integrierten Softwarelösung ist es zudem möglich, 3D-Modelle der einzelnen Komponenten zu simulieren und somit die Fertigung präzise vorzubereiten. Im Projekt wurde zusätzlich ein komplexes Portalsystem entwickelt, auf das verschiedene Prozessköpfe installiert werden können und die unterschiedlich angesteuert werden: Arbeitsschritte wie Fräsen, Kleben und Schleifen oder das Tränken der Glasfasergelege können somit automatisiert erprobt werden. Das BladeMaker-Demozentrum wurde 2017 feierlich eröffnet.
Automatisierte Lösungen für die Blattfertigung
Das Ziel der Wissenschaftler*innen im anschließenden Projekt BladeFactory war es, die Teilprozesse und Verfahren weiterzuentwickeln und zu parallelisieren. Die einzelnen Prozessschritte sollen sich Stück für Stück in einen stimmigen Gesamtablauf integrieren: So entstand in den letzten fünf Jahren das automatisierte Verfahren des sogenannten »Preforming«, das automatische Ablegen und Drapieren der Fasergelege und Kernwerkstoffe und das »Prefabbing«, das Vorfertigen von Rotorblattkomponenten. Auch diese Verfahren helfen dabei, die Produktionszeit zu verkürzen, denn sie können vom Hauptformwerkzeug des Blattes ausgelagert und somit parallel umgesetzt werden.
Begleitet werden diese Verfahren mithilfe von Messtechnik und mechanischen Prüfungen, sodass reproduzierbare Qualität gewährleistet werden kann. Zusätzlich setzen die Forschenden ein Lasermesssystem ein, das die 3D-Geometrie der fertigen Bauteile erfasst. Der Produktionsablauf wird effizienter.
Heiko Rosemann, Projektleiter Fraunhofer IWES, erklärt: »Heute feiern wir die Meilensteine der letzten zehn Jahre. Wir konnten mit unseren Verfahren erheblich dazu beitragen, die Fertigungszeiten für Rotorblätter zu reduzieren und gleichzeitig die Qualität des Bauteils steigern. Das reduziert auf Kundenseite das Risiko für teure Nacharbeit und Materialzuschläge. Wir können direkt ein Formwerkzeug fertigen und mittels einer integrierten Kühlungsfunktion auch noch den Aushärteprozess des Klebstoffs steuern und verkürzen. Mithilfe unseres Klebstoffapplikators, dem »Variable Glue Applicator«, sind keine Werkzeugwechsel bei der Verklebung der Schalen mehr notwendig, es kann bis zu 20 % Klebstoff eingespart werden. Wir sind stolz auf das Erreichte und freuen uns darauf, gemeinsam mit der Branche, Lösungen für die anstehenden Herausforderungen zu entwickeln.«
»Einige der wesentlichen Aufgaben bei der Rotorblattentwicklung sind die Beschleunigung von Fertigungsprozessen und das Einsparen von Material. In der Testumgebung des BladeMaker-Demozentrums können alle Aspekte der automatisierten Fertigung betrachtet werden, das hilft der Industrie dabei, diese Prozesse weiter zu optimieren. Das Fraunhofer IWES leistet mit seiner Arbeit hier einen wichtigen Beitrag zur Forschung und Entwicklung«, sagt Dr. Alexander Krimmer, Senior Engineer Composite Materials and Structures, TPI Composites Germany.
»Das Know-How der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IWES hat einen großen Anteil daran, dass die Hersteller neue Fertigungsverfahren testen und großskalig einsetzen können. Mithilfe des IWES konnten wir unseren Klebstoffauftrag qualifizieren und prüfen, welche Auswirkungen Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Blattfertigung haben. Mithilfe der Ergebnisse können wir unseren Klebstoffprozess effizienter gestalten«, ergänzt Kai Ehrich, Group Lead Materials, Nordex Energy.
Die Testumgebung im BladeMaker-Demozentrum wird kontinuierlich erweitert und ermöglicht den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern auch gruppenübergreifend zu arbeiten. So werden hier für die Rotorblatttests nebenan auch Spezialbauteile aus Faserverbundwerkstoff gefertigt und sensorische Messtechnik entwickelt.
Ansprechperson Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES
Projektleiter Heiko Rosemann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Abteilung Rotorblätter
Telefon: +49 471 14290-341
E-Mail: heiko.rosemann @ iwes.fraunhofer.de
www.iwes.fraunhofer.de
Ansprechperson TPI Composites Germany GmbH
Dr. Alexander Krimmer, Senior Engineer Composite Materials and Structures
Telefon: +49 30 311 92-212
E-Mail: a.krimmer @ tpicomposites.com
Ansprechperson Nordex Energy GmbH
Kai Ehrich, Group Lead Materials
Telefon: +49 381 66633688
E-Mail: KEhrich @ nordex-online.com
Fraunhofer IWES
Das Fraunhofer IWES sichert Investitionen in technologische Weiterentwicklungen durch Validierung ab, verkürzt Innovationszyklen, beschleunigt Zertifizierungsvorgänge und erhöht die Planungsgenauigkeit durch innovative Messmethoden im Bereich der Wind- und Wasserstofftechnologie. Derzeit sind mehr als 300 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Angestellte und über 100 Studierende an neun Standorten beschäftigt: Bochum, Bremen, Bremerhaven, Görlitz, Hamburg, Hannover, Leer, Leuna und Oldenburg.
TPI Composites Germany GmbH
TPI Composites, Inc. ist ein globales Unternehmen, das sich auf innovative und nachhaltige Lösungen zur Dekarbonisierung und Elektrifizierung der Welt konzentriert. TPI liefert qualitativ hochwertige, kosteneffiziente Verbundwerkstofflösungen durch langfristige Beziehungen mit führenden OEMs in der Windenergie- und Automobilbranche. TPI hat seinen Hauptsitz in Scottsdale, Arizona, und betreibt Fabriken in den USA, Mexiko, der Türkei und Indien. TPI betreibt zusätzliche technische Entwicklungszentren in Dänemark und Deutschland sowie globale Service-Schulungszentren in den USA und Spanien.
Nordex Group
Die Entwicklung, Herstellung, Projektabwicklung und der Service von Windenergieanlagen im On-Shore-Segment ist seit mehr als 35 Jahren Kernkompetenz und Leidenschaft der Nordex Group und ihrer rund 9.600 Mitarbeiter weltweit. Als einer der größten globalen Windkraft-Anlagen-Hersteller bietet die Nordex Group ertragsstarke und kosteneffiziente Windturbinen, die in allen geographischen und klimatischen Bedingungen langjährige und ökonomische Stromerzeugung durch Windenergie ermöglichen.