ThermoBond: Entwicklung eines Widerstandsschweißverfahrens zum Fügen von thermoplastischen Rotorblättern für Windkraftanlagen

Auf einen Blick

• Rotorblätter werden bei der Produktion aus zwei Halbschalen verklebt; eine Methode, die viel manuelle Arbeit, hohe Kosten und Fehleranfälligkeit bedeutet.
• Rotorblätter aus Thermoplasten bieten die Möglichkeit, die Halbschalen zu verschweißen, doch das Verfahren ist noch nicht ausreichend auf die Bedürfnisse der Windenergie angepasst.
• Im Projekt ThermoBond entwickeln die Projektpartner daher einen Schweißprozess für thermoplastische Rotorblätter, das für einen industriellen Einsatz zugeschnitten ist.
• Das Fraunhofer IWES ist dabei unter anderem für Konzepte zum Aufbau der Rotorblätter sowie für den Bau eines Rotorblattsegmentes verantwortlich.

Herausforderung

Nach derzeitigem Stand der Technik werden in der Rotorblattproduktion zwei Halbschalen miteinander verklebt. Klebeverfahren bergen allerdings etliche Nachteile. Durch den manuellen Auftrag von etwa 1.000 Kilogramm Klebstoff für ein 80 Meter langes Rotorblatt innerhalb von 45-60 Minuten kann es vermehrt zu Fehlstellen in der Verklebung kommen. Zudem wird oft zu viel Klebstoff aufgetragen, um Fertigungstoleranzen sicher auszugleichen. Die Folgen können aufwendige Nacharbeiten in der Fertigung, mangelnde Ermüdungsfestigkeit des Rotorblattes oder erhöhte Fertigungskosten sein.

Um die Recyclingfähigkeit von Rotorblättern zu verbessern, besteht ein Ansatz darin, für Neuentwicklungen von Rotorblättern thermoplastische Harzsysteme einzusetzen. Thermoplastische Harzsysteme bieten die Möglichkeit, dass am Ende der Rotorblattlebensdauer einzelne Bestandteile durch Aufschmelzen und Aufbereiten wieder in neuen Produkten Verwendung finden. Mittels Pyrolyse können zudem die Ausgangsstoffe teilweise zurückgewonnen und für neues Material wiederverwendet werden.

Alternativ können Thermoplasten statt verklebt auch geschweißt werden. Entsprechende Verfahren werden bereits im Flug- und Fahrzeugbau eingesetzt, sind aber noch nicht ausreichend auf die Bedürfnisse der Windenergie angepasst. 

Lösung

Im Projekt ThermoBond entwickeln die Projektpartner einen Schweißprozess für thermoplastische Rotorblätter, der unter industrienahen Bedingungen geprüft wird. Zu diesem Zweck soll ein bis zu fünf Meter langer Rotorblatt-Demonstrator aus einem kommerziell verfügbaren thermoplastischen Harzsystem hergestellt und mit einem neuen Verfahren verschweißt werden. Im zu entwickelnden Prozess wird das Widerstandsschweißen mittels Kohlenstofffaser- oder Metallgewebe adaptiert. Die Gewebe werden zwischen den Fügeflächen eingebracht und durch das Anlegen eines Stroms erwärmt. Die so erzeugte Wärme schmilzt die angrenzenden Fügeflächen auf, so dass diese verschweißt werden.

Das Fraunhofer IWES ist unter anderem für die Entwicklung von Konzepten zur Herstellung der Fügeflächen beider Rotorblatthälften sowie zum Aufbau kritischer Blattabschnitte wie Blatthinterkante, -vorderkante und -wurzel verantwortlich. Darüber hinaus wird am Fraunhofer IWES der Demonstrator unter Verwendung der im BladeMaker-Demozentrum vorhandenen, leistungsfähigen Heizelektronik gefertigt. 

Mehrwert  

Bei erfolgreichem Abschluss von ThermoBond können erstmals skalierbar lange Fügeflächen von Rotorblättern verschweißt werden. Der Verzicht auf teure Klebstoffe und Beschleunigung des Prozesses haben das Potenzial, die Produktionskosten deutlich zu senken. Gleichzeitig bieten geschweißte Verbindungen auch beim Rückbau einer Windenergieanlage Vorteile. So könnten durch das Anlegen von Strom entlang der ursprünglichen Schweißnähte die Komponenten des Rotorblatts wieder aufgetrennt werden, wodurch die Anzahl der Schnitte bei der Zerlegung des Rotorblattes deutlich reduziert werden kann.