Konfigurierbare Thermoplast-Composites für strukturtragende Anwendungen – demonstriert am Rotorblatt einer Kleinwindkraftanlage
Konventionelle Faserverbundkunststoffe (FKV) auf Basis von Carbonfilamentgarnen und duroplastischen Matrixsystemen sind energieintensiv in der Herstellung und können ein sicherheitskritische sprödes Versagensverhalten aufweisen. Im Rahmen des ZIM-Projektes „HyRiKo“ wurde am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) eine Prozesskette entwickelt, die nachhaltige, konfigurierbare Composites aus recycelten Carbonfasern (rCF) und Hanffasern ermöglicht.
Motivation – Nachhaltigkeit und Sicherheit: Die derzeit überwiegend eingesetzten Faserverbundwerkstoffe auf Basis von Carbonfasern und duroplastischen Matrixsystemen sind mit einem hohen Energie- und Ressourcenverbrauch verbunden. Insbesondere die Herstellung von Carbonfasern ist energieintensiv, während gleichzeitig die Menge an CFK-Abfällen aus Produktionsprozessen und End-of-Life-Bauteilen kontinuierlich zunimmt. Der Einsatz recycelter Carbonfasern (rCF) kann einen erheblichen Beitrag leisten, den Energiebedarf zu reduzieren und fördert geschlossene Materialkreisläufe. Zudem enthalten konventionelle Epoxidharzsysteme teilweise gesundheitlich und ökologisch kritische Bisphenole. Ein weiterer Nachteil von CFK ist ihr sprödes Versagensverhalten: Das Bauteil versagt plötzlich und ohne Resttragfähigkeit, was insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen kritisch ist.
Konzept konfigurierbarer nachhaltiger Thermoplast-Composites: Vor diesem Hintergrund wurde am ITM eine Prozesskette zur Herstellung konfigurierbarer, nachhaltiger Faserverbundstrukturen auf Basis recycelter Carbonfasern (rCF) und Hanffasern entwickelt. Das Konzept basiert auf hybriden Schalen-Rippen-Strukturen in Integralbauweise, bei denen leichte Hanffaserschalen durch gezielt applizierte Rippen aus rCF-Hybridgarnen lokal versteift werden. Der modulare Aufbau ermöglicht den bedarfsgerechten Einsatz unterschiedlicher, am ITM entwickelter Hybridgarn- und Gitterstrukturen sowie eine lastpfadgerechte Anpassung der Verstärkung. Dadurch können die Steifigkeit und Tragfähigkeit der Bauteile gezielt erhöht sowie eine hohe Resttragfähigkeit und ein duktiles Versagensverhalten erreicht werden. Die am ITM entwickelte rCF-Prozesskette zur Herstellung dieser nachhaltigen Schalen-Rippen-Composite-Strukturen in einer einzigen Prozessstufe ist in Abbildung 1 dargestellt.
Demonstration am Rotorblatt: Die Umsetzung des Konzeptes konnte an Rotorblättern für eine vertikale Kleinwindkraftanlage nachgewiesen werden. Hierfür wurden dünne Hanffaserschalen mit rCF-Rippenkonstruktionen verstärkt. Als Ausgangsmaterial dienten solvolytisch zurückgewonnene Carbonfasern aus End-of-Life-Rotorblättern konventioneller CFK-Bauweise. Aus diesen wurden rCF/PP-Hybridgarnkonstruktionen zur Herstellung der Rippen gefertigt, die nahezu das volle Leistungspotential der primären Strukturen ausschöpfen. Für die Schalenstrukturen kamen Tapes aus Hanffasern zum Einsatz, wodurch eine vollständig biobasierte bzw. recyclingorientierte Hybridstruktur realisiert werden konnte. Diese wurden in die Kavitäten eines eigens dafür entwickelten Thermopresswerkzeugs appliziert und gemeinsam mit der Schale im Sinne einer One-Shot-Technology verpresst. Auf diese Weise lassen sich kostengünstige rCF-Hanffaser-Rotorblätter fertigen. Abbildung 2 zeigt das im Projekt hergestellte Prototyp-Windkraftblatt mit rCF-verstärkten Schalenstrukturen.
Ergebnisse: Durch den Einsatz recycelter Fasern kann der Energieverbrauch auf Basis der am ITM entwickelten rCF-Prozesskette um über 60 % reduziert werden. Zugleich konnte die Steifigkeit der Hanffaserschalen um mehr als 10 % gegenüber thermoplastischen Hanffaserschalen gesteigert werden.
Fazit: Mit den Entwicklungen im ZIM-Projekt HyRiKo steht eine Prozesskette zur Umsetzung thermoplastischer, nachhaltiger und konfigurierbarer Composites zur Verfügung, die den Einsatz sekundärer und biobasierter Faserwerkstoffe auch in strukturtragenden Anwendungen ermöglicht.
Kontakt:
Christian Herrmann
Technische Universität Dresden
Institute of Textile Machinery and High Performance Material Technology (ITM)
01062 Dresden
E-Mail: christian.herrmann1@tu-dresden.de
Web: http://tu-dresden.de/mw/itm
