Polyurethan für Rotorblätter von Windkraftanlagen – effiziente Herstellung, gute Langzeitfestigkeit

Dr. Marc Schuetze, Projektleiter Windkraft im Geschäftsbereich Polyurethane, Bayer MaterialScience AG, Leverkusen

 

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Polyurethan (PUR) eignet sich sehr gut zur Fertigung von Rotorblättern für Windkraftanlagen. Im Vergleich zu anderen Kunststoffsystemen wie Epoxid- und ungesättigten Polyesterharzen bietet es dabei markante Vorteile in puncto Prozess- und Kosteneffizienz und mechanische Eigenschaften.

Beiträge zum Klimaschutz sind ein elementarer Bestandteil des Nachhaltigkeits-Engagements und der Unternehmensstrategie von Bayer. Der Konzern verfolgt ein Klimaschutzprogramm, das neben einer verbesserten Ressourcen- und Energieeffizienz etwa von chemischen Produktionsverfahren auch auf Entwicklungen für die Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen setzt. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Windkraft.

Das neue Windkraft-Kompetenzzentrum von Bayer MaterialScience im dänischen Otterup steuert die weltweiten Aktivitäten des Bayer-Teilkonzerns für diese nachhaltige Energieerzeugung. Es konzentriert sich in seiner Arbeit sowohl auf neue Materialien als auch auf neue oder optimierte Verfahren, die es dem Verarbeiter ermöglichen, Bauteile kosteneffizient mit hoher Produktivität und Qualität zu fertigen. Ein Beispiel für diese Werkstoff- und Verfahrenskompetenz sind neue PUR-Systeme aus der Produktfamilie Baydur, die zur Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen mit Hilfe der Vakuum-Infusionstechnologie optimiert sind.

Vakuuminfusion – Verfahren der Wahl

Die Fertigung der Rotorblätter-Halbschalen im Vakuuminfusionsverfahren geht von Kernwerkstoffen wie z. B. Balsaholz und knitterfreien Endlosglasfaser-Gelegen aus, die in ein mit Trennmittel versehenes Werkzeug gelegt werden. Außerdem werden entsprechend der Größe und Geometrie des Rotorblattes Infusionskanäle im Werkzeug verteilt. Der gesamte Aufbau wird mit einer Folie hermetisch abgedichtet und ein Vakuum angelegt, um sämtliche Luft zu entfernen. Dann beginnt der Infusionsvorgang. Eine Dosiermaschine fördert das flüssige Reaktionsgemisch des Infusionsharzes durch den Composite-Aufbau. Vorteil dieses Vorgehens ist, dass die verstärkenden Glasfasergelege gleichmäßig und blasenfrei durchtränkt werden. Anschließend wird das Werkzeug beheizt, was die chemische Reaktion des Infusionsharzes auslöst. Das Harz verfestigt sich und härtet aus. Abschließend wird die Folie abgezogen und die Halbschalen werden entformt.

Bisher fanden in der Fertigung von Rotorblättern mit dem Vakuuminfusionsverfahren hauptsächlich Epoxidharze und zu einem kleineren Anteil ungesättigte Polyesterharze (UP) Verwendung. Letztere haben vor allem den Nachteil, dass sie beim Aushärten um bis zu sieben Prozent schrumpfen. Besonders im Falle sehr großer Bauteile können sich dadurch die Endlosglasfasern zusammenziehen oder sogar knittern. Die Folge sind Eigenspannungen im Bauteil und ein Abfall der Verbundfestigkeit, was eine Verformung des Rotorblattes unter Belastung und ein Materialversagen zur Folge haben kann. Epoxidharze haben den Nachteil, dass die mit ihrem Aushärten verbundene chemische Reaktion viel Wärme freisetzt. Wegen dieser hohen Exothermie kann es im Inneren gerade von dickeren Bauteilen zu Verbrennungen und durch die Materialausdehnung zu einem Knicken der Glasfasern kommen. Beides ruft ebenfalls Materialschäden hervor. Es ist daher zwar gängige Praxis, die Aushärtung thermisch kontrolliert durchzuführen und bei Bedarf zu kühlen. Allerdings bedeutet dies auch einen technischen Mehraufwand, der mit spürbar höheren Kosten und deutlich längeren Herstellzeiten verbunden ist.

Schnelle Werkzeugfüllung, effiziente Herstellung
PUR ist für das Infusionsverfahren ein relativ „junger“ Werkstoff. Die neue, bereits industriell eingesetzte Baydur-Harz-Variante hat vor dem Aushärten eine Startviskosität von nur 50 bis 100 mPas, diejenige typischer Epoxidsysteme liegt dagegen bei mindestens 200 bis 300 mPas. Daraus resultiert eine höhere Fließfähigkeit des PUR-Reaktionsharzes, was die Infusion bzw. das Durchtränken der Glasfasergelege vereinfacht und verkürzt – selbst wenn diese sehr dicht gepackt sind. Außerdem können längere Fließwege und Werkzeugbereiche mit komplexerer Geometrie leichter umgesetzt werden. Abhängig von der Harztemperatur sind Füllzeiten von bis zu drei Stunden – und oft auch weniger – realistisch.

Die chemische Reaktion zur Aushärtung des PUR-Systems setzt kaum Wärme frei. Selbst im Falle von Bauteilen mit einer Dicke von 120 Millimetern wurden keine Hitzeschäden im Bauteilinneren festgestellt. Eine externe Kühlung ist daher beim Aushärten nicht notwendig, was die Prozessführung vereinfacht. Das PUR-System verfestigt sich zudem etwa im Vergleich zu Epoxid-Harzen schneller. Die Zykluszeit kann damit pro Blatt von aktuell rund 24 Stunden signifikant gesenkt werden. Die Produktivität steigt dadurch deutlich. Dies ist gerade deshalb von großer Bedeutung, weil allein zwischen 20 und 25 % der Gesamtkosten einer Windkraftanlage auf die Rotorblätter entfallen.

Das neue PUR-Harz zeigt ein gutes „Klebeverhalten“ zu den Glasfasern. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Faser-Matrix-Anbindung, die zu den exzellenten mechanischen und dynamischen Eigenschaften des PUR-Verbundes beiträgt. Generell zeichnet sich das ausgehärtete PUR-Infusionsharz durch hohe Werte unter anderem bei der Zug-, Druck- und Biegefestigkeit und beim Druck- und Zug-E-Modul in Faserrichtung und quer dazu aus. Beispielsweise versagt Epoxid-Harz im Zugversuch quer zur Faser deutlich früher, weil es relativ spröde ist und reißt. Das PUR-Harz dagegen ist elastischer und zeigt im Zugversuch nicht die vom Epoxidharz bekannten Sprödbrüche (Abb. 1). Unter vergleichbaren Belastungssituationen entstehen deshalb keine vorzeitigen Laminatschäden. Besonders hervorzuheben ist die exzellente ­dynamische Langzeitfestigkeit des PUR-Harzes. In Ermüdungsversuchen – angelehnt an DIN 50100 (Wöhler-Versuch) – ist es bei Belastung in Faserrichtung auch nach über eine Million Lastwechseln deutlich fester und damit langzeitstabiler als Standard-Epoxid-Harz (Abb. 2).

Auch sehr lange Rotorblätter herstellbar
Das hervorragende mechanische Eigenschaftsprofil des PUR-Systems, die geringe Wärmeentwicklung während seiner Aushärtung und die Tatsache, dass es bei der Verfestigung kaum schrumpft, erleichtern die Fertigung dickwandiger und großer Bauteile. Aus dem PUR-Harz sind daher problemlos auch sehr lange Rotorblätter herstellbar.  

Mittlerweile stehen sehr leistungsfähige Anlagen zur Produktion von Rotorblättern aus PUR-Infusionsharz zur Verfügung. In Zusammenarbeit mit Bayer MaterialScience hat die in Bocholt ansässige Hübers Verfahrenstechnik Maschinenbau GmbH eine Fertigungstechnologie entwickelt und maßgeschneidert, die eine kontrollierte und somit konstante Füllung der Werkzeuge erlaubt. Highlights der Technologie sind eine besonders sorgfältige Entgasung der Rohstoffe sowie eine präzise Dosier- und Mischtechnik, die eine kontinuierliche, luftblasenfreie und bedarfsgerechte Mischung der PUR-Rohstoffkomponenten Isocyanat und Polyol erlaubt. Das PUR-Reaktionsharz hat daher bei der Infusion immer die gleiche Qualität. Das Ergebnis ist ein Füllprozess mit festen, reproduzierbaren Füllzeiten. Außerdem können Füllgeschwindigkeit und Fülldruck während des Infusionsvorganges gesteuert werden.

Serieneinsatz in China
Eine Version des neuen PUR-Infusionsharzes bewährt sich bereits in der kommerziellen Stromerzeugung. So hat die chinesische Huaye Group in Dezhou in der Provinz Shandong über zehn ihrer 100-kW-Windkraftanlagen mit neun Meter langen Rotorblättern aus dem PUR-System ausgestattet. Ein entsprechendes Rotorblatt war auch auf der Kunststoffmesse K 2013 auf dem Stand von Bayer MaterialScience zu sehen.

Bayer MaterialScience kooperiert in Europa mit namhaften Partnern aus der Windenergieindustrie. Ziel ist es, den Einsatz von PUR-Infusionsharzen in der Herstellung von Rotorblättern weiter voranzutreiben. Darüber hinaus bietet das Unternehmen auch andere Lösungen für Windkraftanlagen. Darunter sind beispielsweise neue Faserverbundwerkstoffe und Technologien für die Produktion von Gondeln, Pultrusionsprofile für verschiedene Anbauteile sowie Rohstoffe für Lacke und Kleber.

 

Abb1Abb. 1: Zugversuch quer zur Faser: Epoxidharz zeigt ein ausgeprägtes Sprödbruchverhalten. {Bildquelle: Bayer MaterialScience} 

 

Abb2Abb. 2: Wöhler-Versuch in Anlehnung an DIN 50100: Probekörper aus PUR-Harz ermüden unter dynamischer Langzeitbelastung deutlich langsamer als ihre Pendants aus Epoxid-Harz. {Bildquelle: Bayer MaterialScience}
 

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