Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme
Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme

Material- und Komponentenprüfung

Windenergieanlagen mit bis zu 90 Meter langen Rotorblättern sollen für maximale Energieausbeute sorgen. Da die Länge der Blätter durch ihr Gewicht begrenzt wird, liegt der Branchenfokus auf dem Einsatz leichter Hochleistungswerkstoffe. Fundierte Materialkenntnisse werden für Hersteller und Zulieferer in der Rotorblattproduktion deshalb immer wichtiger.

Zudem führt im Designprozess von Rotorblättern der große dimensionale Unterschied zwischen Materialprüfung und den gefertigten Bauteilen zu Unsicherheiten und Risiken. Die Validierung der Modelle oder die Ermittlung von Strukturkennwerten im Rahmen von Komponentenprüfungen bieten die Möglichkeit, diese Risiken während der Betriebszeit einer Turbine wesentlich zu verringern.

Unsere Dienstleistungen im Bereich Material- und Komponentenprüfung umfassen unter anderem:

  • Charakterisierung von Klebstoffen, Faserverbund- und Kernwerkstoffen
  • eigene Prüfkörperfertigung
  • DSC-Analyse
  • Faservolumengehaltsbestimmung
  • Sonderlösungen, Einflüsse von Fixiermitteln, Lagenausläufern u.v.m
Akkreditiert für die Bestimmung physikalischer Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen mittels mechanisch-technologischer und thermischer Prüfungen

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Materialprüfung am Fraunhofer IWES
© Pascal Hancz

Das Fraunhofer IWES verfügt über eine mehr als zehnjährige Expertise im Faserverbund- und Rotorblattbereich und bietet neben Standardprüfungen auch maßgeschneiderte Materialnachweise an. Ein besonderer Schwerpunkt liegt im Bereich der spezifischen Herstellverfahren von Faserverbundprüfkörpern sowie der Durchführung und Auswertung von Prüfverfahren. Die Bandbreite reicht von der groben Materialeinschätzung (Screening) bis zur vollständigen Charakterisierung. Je nach Fragestellung werden Materialien wie Gelege, Harze oder Schäume auf ihre Eignung für Rotorblätter untersucht. Materialproben werden je nach Kundenanforderung angefertigt.

 

Expertise im Bereich Ermüdungsprüfungen

Da Rotorblätter im Betrieb enormen Belastungen ausgesetzt sind, spielen Ermüdungsprüfungen eine zentrale Rolle. Das Institut ist in diesem Bereich akkreditiert nach DIN EN ISO 17025:2005 und nutzt modernes Equipment und effiziente Verfahren. Die servo-hydraulischen Prüfmaschinen sind mit besonders steifen und präzisen Spannzeugen ausgestattet, die speziell für die Prüfung von Faserverbundprüfkörpern unter dynamischer Belastung entwickelt wurden. Alle Aktivitäten am Prüfstand werden mit modernster Kameratechnik aufgezeichnet. Das ermöglicht eine lückenlose und detaillierte Dokumentation der Schadenverläufe und macht die Entstehung von Rissen besser nachvollziehbar.

 

Hochmodernes Labor und Klimakammer

Die parallele Simulation klimatischer und mechanischer Lasten erfolgt in einer auf minus 40 Grad Celsius kühlbaren Klimakammer, ist normgerecht (DIN / ISO), exakt regulierbar und reproduzierbar. Zudem verfügt das Fraunhofer IWES über ein Analyselabor für die Untersuchung von grundlegenden physikalischen Materialeigenschaften. Dazu gehören zum Beispiel die Glasübergangstemperatur oder die Dichte der Materialproben. Auch eine Vielzahl zerstörungsfreier Prüfungen gehört zum Leistungsportfolio. Sie liefern genaue Aussagen über den Schadensverlauf während einer mechanischen Prüfung.

 

Ausstattung

  • Universalprüfmaschinen mit Maximalkraftbereich 25 bis 2500 kN für statische und dynamische Prüfungen
  • Servo-hydraulische Zug-Druck-Torsionsprüfmaschine für biaxiales Testen
  • Klimakammer für parallele Simulation mechanischer und klimatischer Lasten (-45 ° / 130 ° / Luftfeuchtigkeit / UV)
  • Composite Lab
    · RTM
    · Vakuum-Infusion
    · Heiztisch
    · Präzise Probenfertigung
  • Differential-Scanning-Calorimetry (DSC)
  • Dynamisch Mechanische Analyse (DMA)
  • Wärmeformbeständigkeit (Heat Deflection Temperature, HDT)

Hinterkantenprüfung am Fraunhofer IWES
© Pascal Hancz

Die Expertise des Fraunhofer IWES liegt insbesondere im Bereich der Prüfung höchstkritischer und strukturrelevanter Flächen wie Klebnähten, Laminatabstufungen, künstlicher Gurte und Blatthinterkanten. Einen Schwerpunkt bildet die Prüfung von Querkraftbiegebalken, auf die eine spezielle Kombination aus Schub- und Axialbeanspruchungen wirkt. Im Rahmen von Ermüdungsversuchen können unterschiedliche Klebstoffe verglichen und ihre jeweiligen Fehlerschwellen sowie die zulässigen Klebnahthöhen ermittelt werden.

Flexible Infrastruktur

Materialhersteller, Blattproduzenten oder andere industrielle Auftraggeber profitieren am Fraunhofer IWES insbesondere von der flexiblen Infrastruktur, die auf individuelle Kundenanforderungen ausgerichtet ist. Neben zehn Jahren Erfahrung in der Komponenten- und Strukturprüfung bietet das Institut zudem eine State-of-the-Art Prüfumgebung, die unter anderem ein klimatisiertes Prüflabor umfasst.

Zerstörungsfreie Prüfungen

Die Prüfungen werden von zerstörungsfreien Inspektion begleitet. Dabei setzt das Fraunhofer IWES auf eine Kombination von Thermografie, Ultraschall und Acoustic Emission. Unsere Experten verfügen darüber hinaus über eine herausragende Expertise bei der Produktion von Prüflingen, die den Kundenwünschen entsprechend gefertigt werden.

Ausstattung

  • 1 & 2.5 MN servo-hydraulische Prüfmaschine
    · 150 mm Zylinderweg (±3.5 mm bei 2 Hz)
    · Max. Probenlänge: 3.000 mm
    · Flexible Testaufbauten durch T-Nutentisch
  • Spannfeld
    · Maße: 12 x 3 m
    · 3500 kNm Biegemoment
    · Hydraulische Zylinder (25 bis 200 kN und bis zu 800 mm Auslenkung)
  • Bewährte Shutdown-Strategien
  • NDT prüfbegleitend

© Jan Meier

Die Rotorblattspitzen einer Windenergieanlage erreichen im Volllastbetrieb eine Geschwindigkeit von über 300 km/h. Regentropfen wirken bei dieser Geschwindigkeit wie Schmirgelpapier auf der Oberfläche. Bereits kleine Schäden verursachen eine punktuelle Aufrauhung der Oberflächen, die den Ertrag mindert und die Wirtschaftlichkeit beziehungsweise die Lebensdauer der gesamten Anlage beeinträchtigen.

 

Prüfstand für Regenerosion

Die besonders stark beanspruchten Teile wie die Flügelvorderkanten sind daher mit speziellen Schutzsystemen wie Folien oder Lacken ausgestattet – Vorderkantenschutz oder Leading Edge Protection (LEP) genannt. Doch noch gibt es keine Beschichtung, die Regen, Hagel, Temperaturschwankungen, UV-Licht und Luftfeuchte über die gesamte Lebensdauer einer Anlage standhalten kann. Aus diesem Grund betreibt das Fraunhofer IWES seit 2015 einen Regenerosionsprüfstand, um Schadensverläufe nachvollziehbar zu machen und wirkungsvolle Schutzmaßnahmen abzuleiten. Im Regenerosionsprüfstand werden Substrate mit unterschiedlichen Beschichtungen unter verschiedenen Bedingungen getestet. Dabei ist die Menge und Größe der Tropfen, der Zeitpunkt und die Häufigkeit des Aufschlags, die Temperatur und die UV-Einstrahlung exakt regulierbar.

 

Entwicklung von Schadensmodellen

Ein Tropfeneinschlagssystem misst, wo genau die Tropfen aufprallen und welche Schädigungen sie dabei verursachen. Der gesamte Prüfstand wird mit einer CFD-Simulation nachgebildet und die Dokumentation der Schäden erfolgt mit einem laserbasierten Inspektionssystem und einer Highspeed- Kamera. Dabei werden die Topologie der Proben sowie Schäden im Mikrometer-Bereich dokumentiert. Die Entwicklung eines adäquaten Material- und Schadensmodells macht die Vorgänge auf Materialebene besser nachvollziehbar. Die Ergebnisse helfen Materialzulieferern für die Rotorblattproduktion ihre Produkte den praktischen Anforderungen bestmöglich anzupassen. 2018 wurde der Erosionsprüfstand so erweitert, dass darin auch Vereisungstest zuverlässig durchgeführt werden können.

 

Ausstattung

  • Max. Geschwindigkeit: 550 km / h
  • Temperaturen: 4 ° bis 40 ° C
  • Variable Tröpfchengröße: 1,5 bis 5,5 mm