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Der 3D-Druck von thermoplastischen Schaufeln ermöglicht das thermische Schweißen und verbessert die Recyclingfähigkeit, was das Potenzial bietet, das Gewicht und die Kosten der Turbinenschaufeln um mindestens 10 % und die Produktionszykluszeit um 15 % zu reduzieren.

Ein Team von Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL, Golden, Colorado, USA) unter der Leitung des leitenden Windtechnologieingenieurs des NREL, Derek Berry, treibt die Weiterentwicklung seiner neuartigen Techniken zur Herstellung fortschrittlicher Windturbinenblätter voranihre Kombination voranzutreibenvon recycelbaren Thermoplasten und additiver Fertigung (AM). Der Fortschritt wurde durch die Finanzierung des Advanced Manufacturing Office des US-Energieministeriums ermöglicht – Auszeichnungen, die technologische Innovationen anregen, die Energieproduktivität der US-amerikanischen Fertigung verbessern und die Herstellung hochmoderner Produkte ermöglichen sollen.

Heutzutage haben die meisten Rotorblätter von Windkraftanlagen im Versorgungsmaßstab das gleiche Clamshell-Design: Zwei Rotorblatthäute aus Glasfaser werden mit Klebstoff zusammengeklebt und verwenden eine oder mehrere Verbundversteifungskomponenten, sogenannte Scherstege, ein Verfahren, das in den letzten 25 Jahren im Hinblick auf Effizienz optimiert wurde. Um jedoch die Rotorblätter von Windkraftanlagen leichter, länger, kostengünstiger und effizienter bei der Erfassung der Windenergie zu machen – Verbesserungen, die für das Ziel, die Treibhausgasemissionen teilweise durch eine Steigerung der Windenergieproduktion zu senken, von entscheidender Bedeutung sind –, müssen Forscher das herkömmliche Zweischalenmodell völlig überdenken das Hauptaugenmerk des NREL-Teams.

Zunächst konzentriert sich das NREL-Team auf das Harzmatrixmaterial. Aktuelle Designs basieren auf duroplastischen Harzsystemen wie Epoxiden, Polyestern und Vinylestern, Polymeren, die nach dem Aushärten wie Brombeersträucher vernetzen.

„Sobald Sie eine Klinge mit einem duroplastischen Harzsystem hergestellt haben, können Sie den Prozess nicht mehr umkehren“, sagt Berry. „Das macht [auch] die Klingeschwierig zu recyceln.“

Arbeiten mit demInstitut für Innovation in der Herstellung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe(IACMI, Knoxville, Tenn., USA) in der Composites Manufacturing Education and Technology (CoMET) Facility des NREL entwickelte das Team aus mehreren Institutionen Systeme, die Thermoplaste verwenden, die im Gegensatz zu duroplastischen Materialien erhitzt werden können, um die ursprünglichen Polymere zu trennen und so die Endfertigung zu ermöglichen -of-life (EOL)-Recyclingfähigkeit.

Thermoplastische Rotorblattteile können auch mithilfe eines thermischen Schweißverfahrens verbunden werden, wodurch der Bedarf an Klebstoffen – oft schweren und teuren Materialien – entfällt und die Recyclingfähigkeit der Rotorblätter weiter verbessert wird.

„Mit zwei thermoplastischen Klingenkomponenten hat man die Möglichkeit, sie zusammenzubringen und durch Anwendung von Hitze und Druck zu verbinden“, sagt Berry. „Das geht mit duroplastischen Materialien nicht.“

NREL geht voran, zusammen mit ProjektpartnernTPI-Verbundwerkstoffe(Scottsdale, Arizona, USA), Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, USA),Ingersoll-Werkzeugmaschinen(Rockford, Illinois, USA), Vanderbilt University (Knoxville) und IACMI werden innovative Rotorblattkernstrukturen entwickeln, um die kosteneffiziente Produktion von leistungsstarken, sehr langen Rotorblättern – weit über 100 Meter lang – zu ermöglichen, die relativ niedrig sind Gewicht.

Durch den Einsatz des 3D-Drucks können nach Angaben des Forschungsteams die Arten von Designs hergestellt werden, die zur Modernisierung von Turbinenschaufeln mit hochentwickelten, netzförmigen Strukturkernen unterschiedlicher Dichte und Geometrie zwischen den Strukturhäuten der Turbinenschaufel erforderlich sind. Die Klingenhäute werden mit einem thermoplastischen Harzsystem infundiert.

Wenn es ihnen gelingt, wird das Team das Gewicht und die Kosten der Turbinenschaufeln um 10 % (oder mehr) und die Produktionszykluszeit um mindestens 15 % reduzieren.

Zusätzlich zu denerstklassige AMO FOA-AuszeichnungFür AM-thermoplastische Rotorblattstrukturen von Windkraftanlagen werden in zwei Teilprojekten auch fortschrittliche Herstellungstechniken für Windkraftanlagen untersucht. Die Colorado State University (Fort Collins) leitet ein Projekt, das ebenfalls den 3D-Druck nutzt, um faserverstärkte Verbundwerkstoffe für neuartige interne Windblattstrukturen herzustellenOwens Corning(Toledo, Ohio, USA), NREL,Arkema Inc.(King of Prussa, Pennsylvania, USA) und Vestas Blades America (Brighton, Colorado, USA) als Partner. Das zweite von GE Research (Niskayuna, NY, USA) geleitete Projekt trägt den Titel AMERICA: Additive and Modular-Enabled Rotor Blades and Integrated Composites Assembly. Eine Partnerschaft mit GE Research bestehtOak Ridge National Laboratory(ORNL, Oak Ridge, Tennessee, USA), NREL, LM Wind Power (Kolding, Dänemark) und GE Renewable Energy (Paris, Frankreich).

Von: Compositesworld