Material-, Komponenten- und Strukturprüfung

Basis für die strukturelle Auslegung von Rotorblättern bilden Materialprüfungen (Faserverbundwerkstoffe, wie z.B. CFK, GFK, Kernwerkstoffe oder Klebstoffe). Das IWES Nordwest verfügt über langjährige Erfahrungen in der Probenherstellung und der statischen und zyklischen Prüfung (Ermüdungsprüfungen) 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 finale Nachweis der Struktureigenschaften und die Überprüfung der Berechnungsmodelle erfolgt durch Ganzblattprüfungen.

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 bzw. zyklischer Ermüdungs-Belastung entwickelt wurden. Die parallele Simulation klimatischer und mechanischer Lasten kann in einer Klimakammer - normgerecht, kontrollierbar und reproduzierbar - vorgenommen werden.

Je nach Fragestellung werden Materialien wie Glas- und Kohlenstofffaster-Gelege, Harze, Schäume, Klebstoffe und Beschichtungen 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. Beispiele sind optische Verfahren zur Identifikation von Initialschäden und besserer Dokumentation des Schädigungsverlaufs oder neuartige Probengeometrien für die Drückprüfung von Faserverbundwerkstoffen.

Non-destructive Testing

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

Akkreditiert für die Bestimmung physikalischer Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen mittels mechanisch-technologischer und thermischer Prüfungen

zur Urkunde

  • Charakterisierung von Klebstoffen, Faserverbund- und Kernwerkstoffen
  • eigene Prüfkörperfertigung
  • DSC-Analyse
  • Faservolumengehaltsbestimmung
  • Sonderlösungen, Einflüsse von Fixiermitteln, Lagenausläufern u.v.m

© Foto Martina Buchholz

AUSSTATTUNG

  • servo-hydraulische Universalprüfmaschinen mit Maximalkraftbereich 25 bis 2500 kN für statische und dynamische Prüfungen
  • servo-hydraulische Zug-Druck-Torsionsprüfmaschine mit 100 kN/2 kNm
  • Messtechnik: Messrechner mit bis zu 12 Kanälen pro Prüfmaschine
  • Acoustic-Emission-System, hochauflösende Thermografie-Kamera und Ultraschallgerät für zerstörungsfreie Prüfungen – speziell im Faserverbundbereich
  • Prüfvorrichtungen für ASTM, ISO und DIN-Prüfungen für rotorblattspezifische Fragestellungen
  • routinemäßig in-house Prüfungen wie DSCAnalyse und Veraschung
  • Klimakammer für parallele Simulation mechanischer und klimatischer Lasten

 

 

 

 

 

 

 

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 Faserverbundproben 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.

© Foto Jan Meier

AUSSTATTUNG
• Drei Aufspannfelder mit einer maximalen Abmessung
   von 12 x 3 Metern sowie entsprechende Aufspannwinkel
   und leistungsfähige Hydraulik für statische
   und dynamische Belastung
• Equipment für komplexe Messaufgaben mit ausreichender
   Kanalzahl, kundenspezifische Konfigurierung
• zerstörungsfreie Überwachung der Prüfungen

 


 

Individuelles Prüfkörperdesign
Einen Schwerpunkt bildet die Prüfung von Blattkomponenten oder Details unter realistischen Beanspruchungen. Die Versuche liefern z.B. Daten zu den Eigenschaften der Gurt-Steg-Verklebung oder der Hinterkantenverklebung auf Rotorblättern. Die Anpassung des Prüfkörperdesigns ermöglicht die Einstellung der Beanspruchungen im Prüfling und ermöglicht die systematische experimentelle Analyse von Bauweisen, Imperfektionen, Materialien oder Prozessvarianten.

TECHNISCHE DATEN
Spitzengeschwindigkeit: 550 km/h
Größe der Testprofile: [Länge, Höhe]: 230 mm, 30 mm
Temperaturbereich: 4 ° - 40 °C
Variable Tröpfchengröße: 1,5 to 5,5 mm

 

 



Rotorblätter sind starken Umweltbelastungen ausgesetzt: Regen, Hagel, Sand, salziges Meerwasser und Schmutz treffen auf die Oberflächen und führen insbesondere an den Flügelvorderkanten zu Verschmutzungen und Aufrauhungen der Lack- und Beschichtungssysteme. Temperaturwechsel und UV-Strahlung verstärken diese Effekte noch. Materialabtrag sowie Rissbildung durch Regenerosion und damit sich zunehmend verschlechternde aerodynamische Eigenschaften der Flügel sind die Folge.

Diese Veränderungen beeinträchtigen nicht nur die Effizienz der Windenergieanlage (WEA), sie verursachen auch höhere Geräuschemissionen. Da Rotoren künftig schneller drehen sollen, um die Effizienz von Offshore-WEA zu steigern, verschärft sich die Problematik: Mit zunehmender Geschwindigkeit treffen die Regentropfen noch härter auf die Beschichtungen und führen zu noch größeren Schäden.

Der klimatisierte Prüfstand bietet erstmals die Möglichkeit, die Beständigkeit von Rotorblattbeschichtungen gegen Regenerosion zu bewerten. Die Testbedingungen sind variabel. Daher können Umlaufgeschwindigkeiten und klimatische Bedingungen entsprechend realer Einsatzbedingungen der jeweiligen Rotorblätter individuell eingestellt werden. Es können Modellflügel mit Spitzengeschwindigkeiten bis zu 550 km/h getestet werden. Die nötigen Grundlagen bieten Wetter- und Betriebsdatenaufzeichnungen. So kann sowohl die Qualität des Prüfstandes als auch die Validität der erhaltenen Ergebnisse sichergestellt werden.

Die Beurteilung der Schadensmechanismen dient als Grundlage für die Optimierung von Beschichtungsmaterialien wie Folien und Lacke und für das Einleiten weiterer Maßnahmen wie z.B. Änderung der WEA-Betriebsführung oder Anpassung der Wartungsintervalle.