Neue Wege gehen
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind ein zentrales Element des modernen Leichtbaus. Bauteile, wie z. B. Rotorblätter von Windenergieanlagen, wären ohne diese Werkstoffklasse nicht realisierbar.
Einsparung von Ressourcen und höhere Belastbarkeit durch optimale Faserorientierung
Besonders sind FKV vor allem wegen ihrer hohen Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Außerdem können durch die Fasern die mechanischen Eigenschaften des Verbundes richtungsabhängig eingestellt werden. Denn in Faserrichtung ist der Verbund besonders zugfest. Durch die gezielte Wahl der Faserorientierung kann das Bauteil dadurch optimal an seinen Einsatzzweck angepasst werden. Dies ermöglicht auch die Einsparung von Gewicht und damit Ressourcen.
Ein Ansatzpunkt dieses Projektes ist daher die genauere Anpassung der Faserrichtung an die Belastungen eines Rotorblattes. Denn aus praktischen Gründen werden Faserbündel bisher zu Gelegen vernäht (Abb. 1). Diese Gelege werden großflächig in die Rotorblattform eingelegt. Eine Anpassung der Faserrichtung an die Spannungen im Bauteil erfolgt auf diese Weise nur relativ grob.
Viel effektiver wäre die Ausnutzung der Fasereigenschaften, wenn alle Faserbündel (Rovings) unabhängig voneinander verlegt werden könnten. Möglich ist dies durch ein Verfahren, bei dem die Faserbündel einzeln auf einem dünnen Trägermaterial vernäht werden (Abb. 2). Diese Technik wird tailored fiber placement genannt und wurde in den 90er Jahren vom IPF Dresden entwickelt. Industriellen Einsatz findet dieses Verfahren bereits bei der Herstellung von kleinen bis mittelgroßen Bauteilen. Rotorblätter, welche meist eine Länge von 50 bis 100 Metern besitzen, sprengen bisher die praktischen Grenzen des tailored fiber placements.
In diesem Projekt ist es jedoch gelungen die mechanischen Belastungen eines Rotorblattes zu simulieren und daraus den optimalen Verlauf der Verstärkungsfasern zu berechnen. Zur Veranschaulichung der Ergebnisse wurde ein 2,5 Meter langes Rotorblatt als Demonstrator gefertigt (Abb. 3).
Neue Ansätze zum Recycling von Rotorblättern
Ein Nachteil von FKV ist das schwierige Recycling. Denn die meist verwendeten duroplastischen Kunststoffe lassen sich nicht ohne weiteres von den eingeschlossenen Fasern trennen. Bisher hat sich daher nur das Schreddern der Bauteile etabliert. Das zerkleinerte Faser-Kunststoff-Gemisch kann dann in begrenzten Mengen als Zuschlagstoff in der Bauindustrie verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit ist die thermische Verwertung. Beides würde auf einem Nachhaltigkeitswettbewerb natürlich keinen Preis gewinnen.
Daher ist ein zweites zentrales Thema dieses Forschungsprojektes die Untersuchung von Verbundwerkstoffen, die besonders ressourcenschonend hergestellt und komplett abgebaut werden können. Es wird untersucht, wie sich FKV herstellen lassen, die aus wasserlöslichen Glasfasern und biokompostierbaren Kunststoffen bestehen und wie deren Abbaubarkeit unter verschiedenen Bedingungen verläuft.
Projektpartner:
