EP3843981A1 - Faserverbundhalbzeug, faserverbundbauteil, rotorblattelement, rotorblatt und windenergieanlage sowie verfahren zum herstellen eines faserverbundhalbzeugs und verfahren zum herstellen eines faserverbundbauteils - Google Patents

Faserverbundhalbzeug, faserverbundbauteil, rotorblattelement, rotorblatt und windenergieanlage sowie verfahren zum herstellen eines faserverbundhalbzeugs und verfahren zum herstellen eines faserverbundbauteils

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EP3843981A1
EP3843981A1 EP19752507.4A EP19752507A EP3843981A1 EP 3843981 A1 EP3843981 A1 EP 3843981A1 EP 19752507 A EP19752507 A EP 19752507A EP 3843981 A1 EP3843981 A1 EP 3843981A1
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EP
European Patent Office
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mold core
fiber
fiber composite
reinforcing
reinforcing bars
Prior art date
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Pending
Application number
EP19752507.4A
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English (en)
French (fr)
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Alexander Hoffmann
Sara Nganga
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Wobben Properties GmbH
Original Assignee
Wobben Properties GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a semi-finished fiber composite for a composite fiber component, in particular for a composite fiber component of a wind power plant, comprising a layer structure and a plurality of reinforcing bars, a composite fiber component, comprising a semi-finished fiber composite and a matrix material, a rotor blade element for a rotor blade, in particular for a wind turbine, a rotor blade and a wind turbine comprising a tower, a nacelle and a rotor with a rotor hub and a number of rotor blades.
  • the invention further relates to a method for producing the fiber composite semi-finished product and a method for producing the fiber composite component.
  • Fiber composite components are components made of two or more interconnected components, consisting of or comprising fiber composite materials, which usually have functional properties.
  • Fiber composite materials essentially comprise or consist of fibers and a matrix embedding the fibers. Due to the mutual interaction of the fibers and the matrix, fiber composite materials have higher-quality properties than the fibers or the matrix itself.
  • fiber composite components fiber composite semi-finished products for the production of fiber composite components and components of fiber composite components or Semi-finished fiber composites are known in different embodiments and their manufacturing processes.
  • DE 10 2013 215 384 A1 describes a composite molded part and a production method for a composite molded part, in particular for a wind power plant, comprising a thermoplastic and a semi-finished fiber composite with the following steps: providing the thermoplastic and the semi-finished fiber composite with a flexible, braid-like fiber system, distribution of the thermoplastic as a shaping core material in the flexible, braid-like fiber system of the semi-finished fiber composite and connection to the braid-like fiber system.
  • DE 10 2013 215 381 A1 discloses a production method and a composite component, in particular for a wind energy installation, with a multiplicity of at least two-component composite molded parts, a first component being formed from a shaping core material and a second component as part of a joining layer.
  • DE 10 2009 044 834 B4 describes a semi-finished textile product and a method for producing a preform for a fiber composite component.
  • a fiber reinforcement layer is formed, binders based on long-chain reactive resins, which are in the solid state at room temperature, are applied as a web by spraying on the binder, the fiber reinforcement layer provided with binder web is cold-formed, the reshaped, binder-provided fiber reinforcement layer is heated and then cooled.
  • the publication DE 10 2016 106 402 A1 relates to a component that is reinforced on the surface of the component with reinforcing fibers.
  • the document also relates to a method for reinforcing components with reinforcing fibers.
  • the reinforcing fibers are impregnated with resin, a membrane that retains at least 99% by weight of the uncured and liquid resin at normal pressure or the same pressure from both sides, is positioned between the component and the reinforcing fibers and additional pressure is built up on the resin-impregnated reinforcing fibers. so that the resin penetrates through the membrane and the reinforcing fibers stick to the component.
  • 8,709,584 B2 comprising: a core layer with a multiplicity of pins and a multiplicity of vertical pins, the multiplicity of the pins respectively extending within the core layer and beyond the core layer, and the multiplicity of the vertical ones Pins each extend within the core layer without extending beyond the core layer; an interlock inner layer with at least one layer mechanically interlocked with the plurality of pins; an inner layer bonded to the interlock inner layer, the inner layer having a first number of layers; an interlock outer layer with at least one layer that is mechanically locked to the plurality of pins; and an outer layer bonded to the interlock outer layer, the outer layer having a second number of layers of a first type and a second type, the first type being different from the second type, the second number of layers being greater than the first number of layers.
  • connection of individual components of a semi-finished fiber composite is usually carried out in technically complex production steps.
  • a blind stitch sewing device is known from DE 100 40 807 A1.
  • WO 98/29243 discloses an ultrasound connection system in which an ultrasound transducer is used to insert a plurality of connection elements carried by a compressible element into two components to be connected or a composite part.
  • a challenge for the manufacturing technology in the area of fiber composite components is particularly in the production of fiber composite components with different geometries.
  • the invention is therefore based on the object of addressing at least one of the problems mentioned.
  • a simple and inexpensive solution is to be provided for producing a fiber composite component or a fiber composite semi-finished product.
  • the invention is intended to provide a solution which enables an increase in the shear stiffness and the bending stiffness. At least an alternative solution to previously known solutions should be found.
  • a semi-finished fiber composite for a fiber composite component in particular for a fiber composite component of a wind power plant, comprising a layer structure with a mold core consisting of or comprising a mold core material and a fiber layer adjacent to the mold core , consisting of or comprising a fiber layer material, and a plurality of reinforcing rods introduced into the mold core, consisting of or comprising a
  • Reinforcement material wherein the reinforcement material has a higher rigidity than the mold core material, wherein the plurality of reinforcement rods are introduced into the mold core at an angle to a mold core plane, and wherein at least one reinforcement rod of the plurality of reinforcement rods is introduced into the mold core at an angle to an orthogonal to the mold core plane is.
  • Fiber composite semi-finished products for fiber composite components can include different components.
  • material and, under certain circumstances, geometric properties of the individual components are generally of importance. This makes it possible to combine properties of different components with one another in a fiber composite component, and in particular thereby to adjust the properties of the fiber composite components, preferably by the choice of components, particularly preferably in a specific manner with regard to their area of use.
  • Rotor blades of a wind power plant are generally to be developed in such a way that they have a low weight with a relatively high structural strength, as well as different degrees of hardness and a tensile strength which is oriented to the load.
  • rotor blades are to be developed in such a way that they can withstand high static and dynamic loads, especially over many years. Due to this requirement, in particular with regard to the load effects that occur, the rotor blades comprise or consist in particular of fiber composite components.
  • the invention is based in particular on the knowledge that it is particularly advantageous to reinforce the semi-finished fiber composite, comprising at least two layers, in the thickness direction, in particular in order to achieve an increase in the shear stiffness and bending stiffness of the fiber composite component.
  • transmission of shear forces between the layers is to be improved in particular.
  • Existing solutions provide for this to connect individual components of the fiber composite semi-finished, in particular the at least two layers, by means of a large number of rectified connecting elements which extend through the individual components. In this case, the connecting elements are often introduced into the semi-finished fiber composite over an entire surface extent in the direction of the thickness, irrespective of the loads that actually occur.
  • a semi-finished fiber composite is provided with a mandrel and a fiber layer in a layered arrangement. Furthermore, reinforcing rods are introduced into the mold core at an angle greater than 0 °, preferably at an angle greater than 30 °, to a mold core plane. Here, at least one reinforcing rod is introduced into the mold core at an angle not equal to 90 ° to the mold core plane.
  • the reinforcing rods are thus introduced into the mold core at different angles and consist of or comprise a reinforcement material which has a higher rigidity than a mold core material in order to be able to be introduced into the mold core without length and shape changes and to reinforce it.
  • the mold core described here is preferably a three-dimensional element and / or preferably has a planar extent in a mold core plane, wherein the mold core plane can be curved in at least one plane, for example cylindrical or shell-shaped, and / or preferably has a thickness in the direction orthogonal to the mold core plane on. Thickness is preferably many times smaller than an extension in one direction of the mold core plane.
  • the direction orthogonal to the mold core plane can also be referred to as the thickness direction.
  • This configuration of the semi-finished fiber composite can optimize required properties, for example with regard to strength, rigidity or stretchability, in order to achieve optimized behavior of a composite fiber component to be produced from the semi-finished fiber composite product.
  • the modulus of elasticity of the mandrel can be increased in the thickness direction by the reinforcing bars.
  • a higher bending stiffness and shear stiffness resulting from the design of the fiber composite semi-finished product ensures a long-term and Load effects against opposite stiffness and / or strength.
  • a thrust module can be increased and a degree of change in the thrust module can be influenced via a number and the angle of the reinforcement rods introduced, and can thus be optimally adapted locally.
  • the specific insertion of the reinforcing bars in particular with regard to a direction in which the reinforcing bars extend, defined by an angle to the mold core plane and an angle to the orthogonal to the mold core plane, can provide semi-finished fiber composite products, the properties of which are local loads are adjusted to enable optimal use of materials in terms of lightweight construction.
  • thinner mold cores and / or fiber layers can be used and / or less dense and lighter mold core materials can be used. As a result, weight and costs can be saved.
  • the fiber composite semi-finished product described according to the solution of the invention is essentially manufactured in a sandwich construction.
  • components with different properties are put together in layers.
  • the components are a mold core and at least one, preferably force-absorbing, fiber layer, which preferably adjoins the mold core in a thickness direction.
  • a second fiber layer can preferably be provided, the fiber layers being able to be kept at a distance by the mold core.
  • the layer structure preferably comprises an upper-side fiber layer and a lower-side fiber layer, the mandrel being arranged between the upper-side fiber layer and the lower-side fiber layer and preferably serving as a spacer.
  • the mandrel can preferably transmit shear forces between the top fiber layer and the bottom fiber layer.
  • directional information such as, for example, on the top and bottom sides, preferably relates to the layer structure, preferably to the mold core or the fiber layer, in an arrangement for producing the fiber composite component or the fiber composite semi-finished product with a layered shape Arrangement from bottom to top in the order: if necessary fiber layer - mold core - if necessary fiber layer.
  • the mandrel preferably has an, in particular flat, extension in the mandrel plane and a thickness orthogonal to the mandrel plane.
  • the mandrel can preferably be used for shaping.
  • the mold core material can in particular have a low density. Structural molded core materials are particularly preferred. Mold core materials can preferably have a high mechanical stability and in particular a low weight.
  • mold core materials can have a very low strength and can only achieve a final strength by contacting, in particular by impregnation, with a matrix material and curing of the matrix material.
  • a mold core material contacted, in particular impregnated, with matrix material, in particular after curing, can preferably be designed to transmit shear forces and preferably tensile forces and to support the fiber layer or, if appropriate, the fiber layers.
  • the fiber layer material of the fiber layer comprises or consists of individual fibers, preferably a fiber fabric.
  • the fiber layer material can preferably comprise fibers embedded in the matrix material, and in particular can be a fiber-reinforced plastic.
  • the matrix material forms a matrix that usually serves as a filler and adhesive between the fibers.
  • the fibers are held in position in a fiber composite material and tensions are transmitted and distributed between the fibers.
  • the matrix can serve as protection against externally acting mechanical and / or chemical influences.
  • Curable polymer material can preferably be used as the matrix material.
  • the mandrel in particular the layer structure, is reinforced with the reinforcing bars.
  • a reinforcing rod can be understood to mean a body which is in particular dimensionally stable, preferably rigid, and in particular essentially straight.
  • the reinforcing bar here has an extension in the longitudinal direction that is many times larger than an extension in the width direction and the resulting cross-sectional area.
  • the dimensional stability of the reinforcing bars is distinguished in particular by the fact that the reinforcing bars are designed to be essentially stable in terms of length and cross section. In order to ensure a stability in length and cross-section, the solution sees the Invention before that the reinforcing material has a higher rigidity, in particular also a higher strength than the mold core material.
  • the reinforcing material can also have a higher rigidity and / or strength than the fiber layer.
  • the reinforcing bars can be inserted into the mandrel without changing the geometry.
  • the reinforcing bars can be designed to be shootable.
  • the reinforcing material has a modulus of elasticity of at least 8 GPa.
  • the reinforcing rods can preferably have a particularly smooth surface and in particular comprise or consist of pultruded or otherwise pre-hardened fiber composite materials such as, for example, GRP or CFRP, glass fibers, wood, titanium, aluminum or the like.
  • the reinforcing rods In comparison to the mold core material, the reinforcing rods have a final strength when introduced into the mold core, which preferably cannot be increased significantly by contacting the matrix material.
  • a final strength can be understood here to mean a strength that is suitable for the
  • the reinforcing bars can preferably have an orientation in the mandrel that is particularly function-related.
  • the reinforcing rods can preferably be introduced into the mold core at an angle of 30 ° to less than 90 °, preferably at an angle of 40 ° to 80 °, more preferably from 45 ° to the mold core plane.
  • the angle specified here can in particular be understood to mean an intersection angle which is defined as the smallest angle between the mold core plane and the reinforcing rod.
  • a semi-finished fiber composite can basically be understood to mean a semi-finished product or a prefabricated form of raw material.
  • a semi-finished fiber composite is therefore not a completely finished product and is only later processed into a finished product, i.e. a fiber composite component.
  • Semi-finished fiber composite comprises or consists of components, which are preferably arranged accordingly and brought into a basic geometric shape. Furthermore, a fiber composite semifinished product is preferably to be designed such that it has the shape and dimensions of the fiber composite component to be produced as precisely as possible in order to enable cost-effective production of the fiber composite component. If reference is made to the properties of the fiber composite semi-finished and / or fiber composite components, requirements, loads, load effects or similar, this information refers to a finished product, comprising or consisting of a fiber composite component with a fiber composite semi-finished product. The requirements, in particular on the properties, result, for example, from the loads and effects of loads that are expected, in particular to be expected, on the finished product and must be taken into account in the design and manufacture of the semi-finished fiber composite and the composite fiber component.
  • the reinforcing bars extend wholly or partially through the mandrel.
  • the properties of the fiber composite semi-finished product can be further adapted to defined requirements, in particular with regard to an area of application of the fiber composite component to be produced from the fiber composite semi-finished product.
  • the reinforcing bars may extend through at least a portion of the mandrel, preferably at least up to 1/2 the thickness of the mandrel, or more preferably up to 2/3 of the thickness or 3/4 of the thickness or 4/5 of the thickness of the mandrel.
  • At least 3/4 or 2/3 or 1/2 of the number of reinforcing bars can extend through part of the mandrel, preferably at least up to 1/2 the thickness of the mandrel or more preferably up to 2/3 of the thickness or 3 / 4 the thickness or 4/5 the thickness of the mandrel.
  • the reinforcing bars can preferably extend through the mandrel and have a connection area on the fiber layer, the reinforcement bars at least touching the fiber layer in the connection area.
  • the reinforcing bars can particularly preferably extend through the connection region, the reinforcing bars preferably extending through the mandrel and into the fiber layer, more preferably through the fiber layer.
  • the reinforcing rods can be connected to the fiber layer and to the mold core when the fiber composite component is subsequently manufactured.
  • defects in particular in a contact area between the mandrel and the fiber layer during the manufacture of the Composite fiber components are balanced. This also ensures an improved transmission of shear forces between the mandrel and the fiber layer.
  • the reinforcing bars extend in the direction from a first end surface of the layer structure to a second end surface of the layer structure, the first end surface lying opposite the second end surface.
  • This direction describes the thickness direction of the layer structure, the thickness of the layer structure preferably comprising a sum of a thickness of the mandrel and a thickness of the fiber layer.
  • An end surface of the layer structure can preferably be a surface of the mandrel or a surface of the fiber layer.
  • the reinforcing bars can particularly preferably extend completely or partially through the fiber layer. This makes it possible in particular to compensate for imperfections in a contact area between the mandrel and the fiber layer during the production of the fiber composite component. This also ensures better transmission of shear forces between the mandrel and the fiber layer.
  • the reinforcing bars can extend through at least part of the fiber layer, preferably at least up to 1/2 the thickness of the fiber layer or more preferably up to 2/3 of the thickness or 3/4 of the thickness or 4/5 of the thickness of the fiber layer.
  • At least 3/4 or 2/3 or 1/2 of the number of reinforcing bars can extend through part of the fiber layer, preferably at least up to 1/2 the thickness of the fiber layer or more preferably up to 2/3 of the thickness or 3 / 4 the thickness or 4/5 the thickness of the fiber layer.
  • the reinforcing bars extend entirely or partially through the mandrel and fully or partially through the fiber layer.
  • the mandrel can be connected to the fiber layer and thus in particular the fiber layer can be connected to the mandrel.
  • a reinforcement of the fiber composite semi-finished product can thereby be further optimized.
  • the reinforcing bars extend wholly or partially through the mold core, preferably in the direction from a first end face of the layer structure to a second end face of the layer structure, the first end face being opposite the second end face, and preferably the reinforcing bars being in whole or in part extend through the fiber layer.
  • reinforcement can take place at buckling-critical points and the thrust module can be adapted locally.
  • shorter reinforcing bars, which extend partially through the mandrel can be selected if correspondingly lower loads are to be expected with regard to an area of use in order to save weight and costs.
  • the reinforcing bars can be arranged essentially in the mandrel.
  • the reinforcing bars can displace the mold core material, which can particularly preferably wrap around the reinforcing bars.
  • a further preferred development of the semi-finished fiber composite is characterized in that the reinforcing bars have a maximum diameter of 5 mm, preferably a maximum diameter of 1 mm to 5 mm, further preferably a maximum diameter of 2 mm to 5 mm.
  • a maximum diameter can be understood to mean the longest chord perpendicular to an axis of rotation of a reinforcing rod.
  • reinforcing bars with different maximum diameters are introduced into the mandrel.
  • the greatest possible adaptation of the stiffness and / or strength, in particular the shear stiffness, of the fiber composite component to be produced can be achieved.
  • the reinforcing bars have a round and / or angular geometry.
  • the reinforcing bars can particularly preferably have a polygonal geometry, in particular a star-shaped geometry. In this way, in particular a better connection of the reinforcing bars to the molding material in the fiber composite component to be produced can be achieved.
  • the reinforcing bars particularly preferably have a length greater than 1 mm, preferably greater than 5 mm or 10 mm or 20 mm or 30 mm or 40 mm, further preferably a maximum of 50 mm.
  • the mandrel comprises an area with a plurality of reinforcing bars and an area with fewer reinforcing bars.
  • the areas can preferably comprise at least 100 rods per m 2 of the surface of the mold core.
  • the properties of the fiber composite semi-finished products are locally and preferably individually adaptable.
  • a ratio of a sum of the volume of the reinforcing bars to a volume of the mandrel can be 1:10 or 1:20 or 1:50, further preferably 1: 100.
  • the mold core material is selected from a material or a combination of materials, in particular polyethylene or polyvinyl chloride or balsa wood or foam, in particular rigid foam.
  • the mold core material can preferably also comprise insulation or consist of insulation.
  • the mold core material comprises polyethylene and / or polyvinyl chloride and / or balsa wood and / or foam, in particular rigid foam, or consists of one of these materials or a combination of two or more of these materials.
  • particularly light foam material preferably with a low density, can be used due to the reinforcement of the mandrel with the reinforcing bars.
  • weight and costs can be saved further.
  • the reinforcing material comprises a matrix material and a fiber embedded in the matrix material.
  • the fibers can be embedded in the matrix material in a substantially unidirectional direction.
  • fiber fabrics and / or fiber bundles, in particular unidirectional fiber bundles can be present in the matrix material to be adored.
  • the matrix material is preferably cured here. As a result, hardened, in particular stiffened, reinforcing bars can be provided.
  • the reinforcing material comprises a matrix material and fibers embedded in the matrix material, and preferably the matrix material is cured.
  • the fiber composite semi-finished ie the semi-finished product or the raw material form, which is to be further processed into a fiber composite semi-finished, includes hardened reinforcing bars.
  • the reinforcing rods introduced into the mold core each define an insertion point on a surface of the mold core, and the surface of the mold core has a plurality of insertion points and a plurality of insertion points each define an insertion area and a first insertion area of one second insertion area is spaced.
  • the introduction areas can be spaced apart by at least 30 mm.
  • the introduction points of an introduction region can preferably be spaced apart from one another, in particular by a maximum of 500 mm.
  • insertion areas essentially in a ring shape.
  • the shape of an insertion area is defined here by the individual insertion points and an imaginary connection of the insertion points, in particular essentially running through a center point.
  • the term ring-shaped can therefore not only be understood to mean an annular configuration, but also a polygonal and / or polygonal configuration.
  • the reinforcing bars can preferably extend through the mandrel in such a way that they essentially describe the shape of a truncated cone in the mandrel.
  • a maximum diameter of the insertion area extends beyond the thickness of the mandrel.
  • insertion areas can essentially comprise insertion points arranged in a line.
  • a maximum of 2, 3, 4, 6, 10 or 20 insertion points can define an insertion area.
  • the reinforcing rods introduced into the mold core can also introduce points on an end face of the layer structure, defined by a surface of the fiber layer define, especially when the reinforcing rods are inserted through the fiber layer when introduced into the mandrel.
  • At least two reinforcing bars are introduced into the mold core at different angles to the mold core plane.
  • Reinforcing rods can be introduced into the mandrel at different angles to the mandrel plane. Particularly preferably, at least a quarter, preferably at least half, of the reinforcing bars per square meter can be introduced into the mold core at different angles. In this way, a particularly reliable and optimized transmission of forces, preferably transmission of the thrust forces, can be ensured.
  • a maximum of two of three reinforcing bars lie in one reinforcing plane in the mandrel.
  • the three reinforcing bars can particularly preferably lie in different reinforcing planes in the mandrel.
  • a fiber composite component in particular for a fiber composite component of a wind power plant, comprising a fiber composite semi-finished product and a cured one
  • Matrix material wherein the reinforcing bars are at least partially embedded and the mandrel in the cured matrix material and form a composite, the cured matrix material connecting the composite to the fiber layer.
  • the hardened matrix material can in particular harden the mold core material. More preferably, the fiber layer material can be hardened by the hardened matrix material.
  • the cured matrix material can particularly preferably bind the reinforcing rods and / or the mold core material to the fiber layer. It is particularly preferred here if the matrix material contacts the surface of the reinforcing bars.
  • the reinforcing bars in the fiber composite semifinished and in the fiber composite component that is to say after contacting with matrix material and curing of the matrix material, have essentially the same rigidity and / or essentially the same strength.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a rotor blade element for a rotor blade, in particular for a wind power installation, the rotor blade element comprising at least one fiber composite component.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a rotor blade, in particular for a wind energy installation, comprising at least one rotor blade element.
  • a wind energy installation comprising a tower, a nacelle and a rotor with a rotor hub and a number of rotor blades, a rotor blade comprising at least one rotor blade element with at least one fiber composite component and / or Tower and / or the nacelle and / or the rotor hub comprises a fiber composite component.
  • the above-mentioned object can be achieved by using a semi-finished fiber composite and / or a fiber composite component for a rotor blade element for producing a rotor blade of a wind turbine and / or for a rotor blade and / or for a tower and / or a nacelle and / or a rotor hub
  • the above-mentioned object can be achieved by using a semi-finished fiber composite and / or a composite fiber component for producing a body component of automobiles and / or in shipbuilding or aircraft construction and / or in lightweight construction with composites and / or in components of the building or Road construction and / or be solved in other highly stressed structures.
  • Fiber composite component in particular for a fiber composite component of a wind power plant, comprising the steps: providing a mold core consisting of or comprising a mold core material, providing a fiber layer consisting of or comprising a fiber layer material, forming a layer structure by layering the mold core and the fiber layer, Providing a plurality of reinforcing rods, consisting of or comprising a reinforcing material, the reinforcing material having a higher rigidity than the mold core material,
  • the semi-finished fiber composite is preferably manufactured in a half-shell sandwich construction.
  • the reinforcing bars can first be introduced into the mandrel and then the layers can be arranged.
  • the layers can first be arranged and then the reinforcing bars can be introduced into the mold core.
  • the introduction of the reinforcing bars into the mold core can preferably include carrying out and / or introducing the reinforcing bars into the fiber layer.
  • the reinforcing bars can be introduced into the mold core, preferably shot in, in such a way that they extend wholly or partly through the mold core, preferably also wholly or partly through the fiber layer.
  • the reinforcing bars can preferably be introduced into the mandrel in such a way that they lie in the layer structure and in particular do not protrude from the layer structure.
  • the reinforcing bars are introduced into the mold core with a pressure between 1 bar and 10 bar, preferably with a pressure between 4 bar and 8 bar, further preferably with a pressure of 7 bar.
  • the reinforcing rods can particularly preferably be shot into and / or hammered into the mandrel.
  • the reinforcing bars can be introduced, preferably stapled, into the mandrel, for example by means of a spring system.
  • the reinforcing bars can preferably be shot into the mold core at a pressure and / or a speed, so that the reinforcing bars are introduced into the mold core, so that the reinforcing bars as a whole lie within the layer structure.
  • the reinforcing bars are not shot through the entire layer structure.
  • an inserted reinforcing rod does not protrude from the layer structure.
  • Reinforcing rods can particularly preferably be introduced individually into the mandrel.
  • the reinforcing bars can more preferably be introduced in groups. In this case, the groups preferably comprise reinforcing bars which are aligned and / or spaced apart, in particular regularly spaced apart from one another.
  • a first group and a second group can preferably be introduced into the mold core at the same time.
  • the first group and the second group can preferably be introduced into the mold core at the same time or at different times.
  • several groups of two or more reinforcing bars can be introduced into the mold core at the same time or at different times.
  • the introduction of the reinforcement rods can include providing a reinforcement material, cutting a reinforcement rod from the reinforcement material and inserting the reinforcement rod into the mandrel, the reinforcement rod preferably being passed through the fiber layer.
  • An inserted reinforcing rod can preferably have a protrusion that protrudes from the mandrel and / or from the fiber layer, wherein the step of removing the protrusion can be followed by the introduction of the reinforcing rods.
  • a fiber layer can be sealed after the reinforcing bars have been passed through and, if necessary, after the excess has been removed.
  • the step of introducing the reinforcing elements into the mandrel can comprise the following, repeating steps: providing an endless reinforcing material, preferably wound on a spool, cutting the endless reinforcing material to a defined length, preferably with a hand-held device, and introducing a cut reinforcing rod into the mandrel.
  • the step of providing the continuous reinforcement material may include selecting a reinforcement material from a group of materials that has a higher stiffness than the mold core material.
  • the step of providing the continuous reinforcement material may include selecting a reinforcement material and applying an adhesion promoter to a surface of the reinforcement material.
  • Adhesion promoters can preferably be applied as a primer to a surface of the reinforcing material.
  • the provision of the continuous reinforcement material can comprise selecting a reinforcement material from a group of materials comprising pultruded GRP and / or pultruded CFRP, particularly preferably duromers, and / or wood and / or aluminum.
  • the step of introducing the reinforcing elements into the mandrel can include passing the reinforcing elements through the fiber layer.
  • the reinforcing bars are shot into the mandrel, preferably with an air gun.
  • the air pistol can be operated manually, for example, by personnel.
  • the advantage of this is that the reinforcing bars can be introduced into the mold core independently of a geometry of the fiber composite.
  • the reinforcing bars can hereby be introduced into the mold core individually, in particular depending on the expected loads.
  • This manufacturing step can be integrated as an intermediate step in the conventional sequence of manufacturing steps.
  • the above-mentioned object is achieved by a method for producing a fiber composite component, in particular for a wind power plant, preferably for a rotor blade of a wind power plant, comprising the steps: producing a fiber composite semi-finished product, contacting the mold core and those introduced into the mold core Reinforcing rods with a matrix material, the matrix material at least partially embedding the reinforcing rods and the mold core, and curing the matrix material, the cured matrix material forming a composite and binding the composite to the fiber layer.
  • the fiber composite components can be produced by a resin infusion, preferably a vacuum infusion.
  • the components of the fiber composite component are contacted with a tempered and liquid matrix material.
  • dry fibers of the components can be completely impregnated with the matrix material and hardened by curing the matrix material become.
  • the mandrel material comprises dry fibers.
  • the fiber layer can comprise dry fibers.
  • the fiber composite semifinished product is provided with a film, which in particular surrounds the fiber composite semifinished product in a substantially fluid-tight manner in order to evacuate a space surrounding the film, in particular by means of a vacuum pump.
  • the semi-finished fiber composite in particular the components of the semi-finished fiber composite comprising the dry fibers, preferably the mold core material and / or the fiber layer material, no longer has air.
  • the air pressure compresses the fiber layer and the mandrel and also fixes them.
  • the tempered, liquid matrix material can be sucked into the mold core material and / or into the fiber layer material by the applied vacuum.
  • the matrix material can be cured in particular thermally and / or as a function of a reaction.
  • sequence of manufacture comprising first producing the semi-finished fiber composite and then impregnating the fibers of the constituents with matrix material and curing the matrix material, the insertion points resulting from the introduction of the reinforcing rods into the mandrel can be filled and sealed by the matrix material. As a result, failure of the embrasure can be prevented in particular.
  • the matrix material can in particular bind the mandrel to the fiber layer.
  • the matrix material can preferably also bind the reinforcing rods to the mandrel and to the fiber layer. This makes it possible to compensate for any imperfections in the contact area between the mandrel and the fiber layer or the mandrel and matrix material.
  • Such additional reinforcement of the fiber composite component can also compensate for weakenings in the composite due to the formation of cracks which can occur when the matrix material hardens.
  • the components of the fiber composite semifinished product and in particular of the fiber composite component are permanently connected to one another and / or fixed to one another and / or made to adhere to one another, so that a three-dimensional component is produced.
  • Fig. 1 is a schematic, three-dimensional view of an exemplary
  • Fig. 2 is a schematic, three-dimensional representation of a
  • Fiber composite half-pull according to an embodiment 3 shows a schematic, three-dimensional representation of a fiber composite component according to an exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic, three-dimensional representation of a fiber composite semi-finished product according to an embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic, three-dimensional sectional view of a rotor blade according to an exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic, two-dimensional representation of a rotor blade according to an exemplary embodiment
  • Fig. 7 exemplary method steps for producing a
  • Fiber composite semifinished product according to an embodiment
  • Composite fiber component according to an embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic, three-dimensional view of an exemplary embodiment of a wind turbine.
  • the wind turbine 100 has a tower 102 and a nacelle 104 on the tower 102.
  • On the gondola 104 is a aerodynamic rotor 106 with three rotor blades 108 and a spinner 110 is provided.
  • the aerodynamic rotor 106 is set into a rotational movement by the wind during operation of the wind energy installation and thus also rotates an electrodynamic rotor or rotor of a generator, which is directly or indirectly coupled to the aerodynamic rotor 106.
  • the electrical generator is arranged in the nacelle 104 and generates electrical energy.
  • Composite components 200 can be used for different components of the wind turbine 100.
  • a rotor blade 108 comprises a rotor blade element 1080 with at least one fiber composite component 200 as described herein.
  • FIG. 2 shows a schematic, three-dimensional view of a fiber composite semi-finished product 210.
  • the semi-finished fiber composite 210 comprises a layer structure with an upper-side fiber layer 230b, a mold core 220 and an underside fiber layer 230b.
  • a mold core material of the mold core 220 and a fiber layer material of the top-side fiber layer 230a and the bottom-side fiber layer 230b are shown transparently in FIG.
  • the mandrel 220 spaces the upper-side fiber layer 230a and the lower-side fiber layer 230b.
  • the fiber composite semifinished product 210 comprises a plurality of reinforcing bars 240 which are introduced into the mold core 220 at an angle greater than 0 ° to a mold core plane 2210 and at an angle unequal to 90 ° to the mold core plane 2210.
  • the reinforcing bars 240 extend through the top-side fiber layer 230a, the mandrel 220 and the bottom-side fiber layer 230b.
  • the fiber layers 230a, b can be connected to the mold core 220 and in particular a transfer of shear forces between the fiber layers 230a, b and preferably between one of the fiber layers 20a, b and the mold core 220 can be improved.
  • FIG. 3 shows a fiber composite component 200 with an upper-side fiber layer 230b, a mandrel 220, a lower-side fiber layer 230b and a large number of reinforcing bars in a schematic, three-dimensional view.
  • the mandrel 220 here has a planar extent in a mandrel plane 2210 and one
  • the mandrel plane 2210 is essentially spanned by a longitudinal axis and a transverse axis of the mandrel. It is particularly preferred here that the longitudinal axis and the transverse axis intersect at a center point and / or a center of gravity of the fiber composite component 200.
  • An end surface of the layer structure defined by a surface of the upper fiber layer 320a, has a plurality of insertion points 310a-e in accordance with this embodiment.
  • the insertion points 310a-e here define a plurality of insertion regions 320a-e which are spaced apart from one another.
  • First insertion areas 320a-c are essentially in the form of a line and each comprise three insertion points 310a-c.
  • second introduction regions 320d, e are provided, which are defined by introduction points 310d, e.
  • These insertion areas 320d, e comprise four insertion points 31 Oe or five insertion points 31 Od, which are arranged essentially in a ring.
  • the fiber composite component 200 has areas with a plurality of reinforcing bars 3300 and areas with fewer reinforcing bars 3400.
  • the fiber composite component 200 comprises a hardened matrix material which embeds the reinforcing bars in the mandrel 220 and in the fiber layers 230a, b.
  • the matrix material binds a composite of mandrel 220 and reinforcing bars to the fiber layers 230a, b.
  • the matrix material closes the insertion points 310a-e. In particular, failure of the embrasures can be prevented.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a fiber composite semi-finished product 210 in a three-dimensional view.
  • the semi-finished fiber composite 210 has an upper-side fiber layer 230a, a mandrel 220 and a lower-side fiber layer 230b.
  • a mold core material of the mold core 220 and a fiber layer material of the top-side fiber layer 230a and the bottom-side fiber layer 230b are shown transparently in FIG.
  • the mandrel 220 serves here as a spacer and spaces the top-side fiber layer 230a from the bottom-side fiber layer 230b.
  • the top end surface of the layered structure comprising the
  • Fiber layers 230a, b and the mandrel 220 which is defined by a surface of the top-side fiber layer 230a, has five insertion points 310, which define an essentially annular insertion region 320.
  • the insertion points 310 are spaced apart from one another substantially uniformly. Starting from the insertion points, the reinforcement rods 240 extend through the upper side
  • FIG. 5 shows a schematic, three-dimensional view of a sectional illustration of a rotor blade 108.
  • the rotor blade 108 has a rotor blade element 1080 that comprises a fiber composite component 200.
  • the fiber composite component 200 here has a multiplicity of reinforcing bars 240 which reinforce the fiber composite component 200 and thus also the rotor blade element 1080 or the rotor blade 108.
  • FIG. 6 accordingly shows a rotor blade 108 in a schematic, two-dimensional view with a rotor blade element 1080 that comprises a fiber composite component 200.
  • FIG. 7 shows a method for producing a fiber composite semifinished product for producing a fiber composite component.
  • the individual components of the fiber composite semifinished product comprising a mandrel 710 and two fiber layers 720, 730, are provided.
  • these components are arranged in the form of a layer in the order fiber layer - mold core - fiber layer, so that a first fiber layer forms a fiber layer on the underside, a second fiber layer forms an upper fiber layer and the fiber layers are spaced apart from the mold core.
  • an endless reinforcement material which is wound on a spool, is provided 750 and cut 751 with a hand-held device to a defined length.
  • Such continuous reinforcement material which is cut, defines a reinforcement rod and is entered 760 into the layer structure, comprising the mold core and the two fiber layers the reinforcing rod, in particular an air gun for shooting in the reinforcing rod, is initially positioned 761 at an angle of less than 90 ° and greater than 0 ° to the mold core plane. Subsequently, the reinforcement rod with the air pistol is shot 762 into the mold core through the top-side fiber layer.
  • the steps of cutting of the continuous reinforcement material to a defined length 751, the positioning of the reinforcement rod 761 cut in this way and the insertion of the reinforcement rod through the top-side fiber layer into the mold core 762 are repeated several times.
  • the endless reinforcement material is cut to different lengths and injected into the layer structure at different angles.
  • a fiber composite semi-finished 810-862 is first produced.
  • a mold core 810 and a fiber layer 820 are initially provided.
  • these components are arranged in layers in the order of fiber layer 820 - mold core 810, so that the fiber layer forms a fiber layer on the underside and the mold core to the fiber layer adjacent.
  • Reinforcing rods are also provided 850.
  • the reinforcing rods are individually inserted 860 into the mold core with an air gun.
  • an air pistol with a reinforcement rod is first positioned 861 at an angle of less than 90 ° and size 0 to the mold core plane on the mold core.
  • the reinforcing rod is shot 862 into the mandrel with the air gun so that it extends through the mandrel.
  • a fiber layer is provided 830 and arranged 870 in layer form on the mold core, so that it forms an upper-side fiber layer and is spaced apart from the lower-side fiber layer by the mold core.
  • the layer structure is provided 880 with a film and the layer structure surrounded by the film is evacuated 881 with a vacuum pump.
  • a tempered, liquid matrix material is sucked 882 into the layer structure, that is to say into the mold core and into the fiber layers
  • the fiber layer material of the fiber layers and the mold core material of the mold core are impregnated with the matrix material.
  • the matrix material is cured 890. The cured
  • Matrix material embeds the reinforcing bars introduced into the mold core and binds the individual components, that is to say the fiber layers, the mold core and the reinforcing bars, to one another.
  • Fiber composite components or fiber composite semi-finished products comprising a fiber layer 230a, b a mold core 220 and reinforcing bars 240 inserted into the mold core 220 according to the solution of the invention have various advantages.
  • a shear stiffness and a bending stiffness of the fiber composite component 200 can be increased.
  • a property of the fiber composite component 200 can be adapted to local loads in order to enable optimal material utilization in the sense of lightweight construction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundhalbzeug (210) für ein Faserverbund bauteil, insbesondere für ein Faserverbund bauteil einer Windenergieanlage, umfassend einen Schichtaufbau mit einem Formkern (220), bestehend aus oder umfassend ein Formkernmaterial, und einer an den Formkern (220) angrenzenden Faserschicht (230a, b), bestehend aus oder umfassend ein Faserschichtmaterial, und mehrere in den Formkern (220) eingebrachte Verstärkungsstäbe (240), bestehend aus oder umfassend ein Verstärkungsmaterial, wobei das Verstärkungsmaterial eine höhere Steifigkeit aufweist als das Formkernmaterial. Die mehreren Ve rstä rku ng sstä be (240) sind hierbei in einem Winkel zu einer Formkernebene in den Formkern (220) eingebracht. Ferner ist mindestens ein Verstärkungsstab der mehreren Verstärkungsstäbe (240) in einem Winkel zu einer Orthogonalen zu der Formkernebene in den Formkern (220) eingebracht.

Description

Faserverbund halbzeug, Faserverbund bauteil, Rotorblattelement, Rotorblatt und
Windenergieanlage sowie Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund halbzeugs und Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund bauteils
Die Erfindung betrifft ein Faserverbundhalbzeug für ein Faserverbund bauteil, insbesondere für ein Faserverbund bauteil einer Windenergieanlage, umfassend einen Schichtaufbau und mehrere Verstärkungsstäbe, ein Faserverbund bauteil, umfassend ein Faserverbund halbzeug und ein Matrixmaterial, ein Rotorblattelement für ein Rotorblatt, insbesondere für eine Windenergieanlage, ein Rotorblatt und eine Windenergieanlage, umfassend einen Turm, eine Gondel und einen Rotor mit einer Rotornabe und einer Anzahl von Rotorblättern.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen des Faserverbundhalbzeugs und ein Verfahren zum Herstellen des Faserverbund bauteils. Faserverbund bauteile sind Bauteile aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Komponenten, bestehend aus oder umfassend Faserverbundmaterialien, die meist funktionale Eigenschaften aufweisen. Faserverbundmaterialien umfassen oder bestehen im Wesentlichen aus Fasern und einer die Fasern einbettenden Matrix. Aufgrund auftretender gegenseitiger Wechselwirkungen der Fasern und der Matrix weisen Faserverbundmaterialien höherwertige Eigenschaften auf als jeweils die Fasern oder die Matrix an sich.
Grundsätzlich sind Faserverbundbauteile, Faserverbundhalbzeuge zur Herstellung der Faserverbund bauteile und Bestandteile von Faserverbund bauteilen bzw. Faserverbund halbzeugen in unterschiedlichen Ausführungsformen sowie deren Herstellungsverfahren bekannt.
In der DE 10 2013 215 384 A1 wird beispielsweise ein Verbundformteil und ein Herstellungsverfahren eines Verbundformteils, insbesondere für eine Windenergieanlage, aufweisend einen thermoplastischen Kunststoff und ein Faserverbundhalbzeug mit den folgenden Schritten beschrieben: zur Verfügung stellen des thermoplastischen Kunststoffs und des Faserverbund halbzeugs mit einem flexiblen, flechtgebildeartigen Fasersystem, Verteilen des thermoplastischen Kunststoffs als formgebendes Kernmaterial in dem flexiblen, flechtgebildeartigen Fasersystem des Faserverbundhalbzeugs und Verbinden mit dem flechtgebildeartigen Fasersystem.
Die DE 10 2013 215 381 A1 offenbart beispielsweise ein Herstellungsverfahren und ein Verbundbauteil, insbesondere für eine Windenergieanlage, mit einer Vielzahl von wenigstens zweikomponentigen Verbundformteilen, wobei eine erste Komponente aus einem formgebenden Kernmaterial und eine zweite Komponente als Teil einer Fügeschicht gebildet ist.
In der DE 10 2009 044 834 B4 wird ein textiles Halbzeug und ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für ein Faserverbund bauteil beschrieben. Hierbei wird eine Faserverstärkungsschicht gebildet, Bindemittel auf Basis langkettiger Reaktionsharze, die bei Raumtemperatur im festen Zustand vorliegen, durch Aufsprühen des Bindemittels als Gespinst aufgebracht, die mit Bindemittelgespinst versehene Faserverstärkungsschicht kaltumgeformt, die umgeformte, mit Bindemittel versehene Faserverstärkungsschicht erwärmt und anschließend abgekühlt.
Die Druckschrift DE 10 2016 106 402 A1 betrifft ein Bauteil, das auf der Oberfläche des Bauteils mit Verstärkungsfasern verstärkt ist. Ferner betrifft die Druckschrift ein Verfahren zum Verstärken von Bauteilen mit Verstärkungsfasern. Hierbei werden die Verstärkungsfasern mit Harz getränkt, eine Membran, die bei Normaldruck oder gleichem Druck von beiden Seiten wenigstens 99 Gew.% des nicht gehärteten und flüssigen Harzes zurückhält, zwischen das Bauteil und die Verstärkungsfasern positioniert und zusätzlich Druck auf die mit harzgetränkten Verstärkungsfasern aufgebaut, sodass das Harz durch die Membran hindurch dringt und die Verstärkungsfasern mit dem Bauteil verklebt. Grundsätzlich ist bekannt, dass einzelne Bestandteile der Faserverbundhalbzeuge durch ein Matrixmaterial miteinander verbunden werden, um ein Faserverbund bauteil herzustellen. Darüber hinaus sind auch Ansätze bekannt, die eine zusätzlich Verbindung der einzelnen Bestandteile vorsieht. Aus der US 8,709,584 B2 ist beispielsweise eine Verbundplatte bekannt, umfassend: eine Kernschicht mit einer Vielzahl von Stiften und einer Vielzahl von vertikalen Stiften, wobei die Vielzahl der Stifte sich jeweils innerhalb der Kernschicht und über die Kernschicht hinaus erstrecken, und wobei die Vielzahl der vertikalen Stifte sich jeweils innerhalb der Kernschicht erstrecken, ohne sich über die Kernschicht hinaus zu erstrecken; eine Interlock-Innenschicht mit mindestens einer Lage, die mechanisch mit der Vielzahl der Stifte verriegelt ist; eine Innenschicht, die mit der Interlock-Innenschicht verbunden ist, wobei die Innenschicht eine erste Anzahl von Lagen aufweist; eine Interlock-Außenschicht mit mindestens einer Lage, die mechanisch mit der Vielzahl der Stifte verriegelt ist; und eine Außenschicht, die mit der Interlock-Außenschicht verbunden ist, wobei die Außenschicht eine zweite Anzahl von Lagen eines ersten Typs und eines zweiten Typs aufweist, wobei der erste Typ sich von dem zweite Typ unterscheidet, wobei die zweite Anzahl der Lagen größer ist als die erste Anzahl der Lagen.
Derartiges Verbinden einzelner Bestandteile eines Faserverbund halbzeugs erfolgt meist in technisch aufwändigen Fertigungsschritten. Beispielsweise ist es auch bekannt Nähgut, beispielsweise bestehend aus mehreren Kohlefasermatten, mittels einer Blindstichnähvorrichtung zu vernähen. Eine derartige Blindstichnähvorrichtung ist aus der DE 100 40 807 A1 bekannt.
Darüber hinaus offenbart die WO 98/29243 ein U Itraschallverbind ungssystem , bei dem ein Ultraschallwandler verwendet wird, um eine Vielzahl von Verbindungselementen, die von einem kompressiblen Element getragen werden, in zwei zu verbindende Komponenten bzw. ein Verbundteil einzusetzen.
Die aufwändigen technischen Fertigungsschritte zum Verbinden der Komponenten bedürfen spezifischen Fertigungsanlagen, deren Anschaffung mit hohen Kosten verbunden ist. Hinzu kommt, dass mit bekannten Fertigungsverfahren Verbindungselemente lediglich in geometrisch einfach gestaltete Komponenten eingebracht werden können. Hierdurch wird das Einsatzgebiet dieser solcherart hergestellten Faserverbundbauteile erheblich eingeschränkt.
Eine Herausforderung für die Fertigungstechnik im Bereich von Faserverbund bauteilen liegt insbesondere auch in der Fertigung von Faserverbund bauteilen mit unterschiedlichen Geometrien.
Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender Anmeldung folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 10 2016 121 554 A1.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, wenigstens eines der genannten Probleme zu adressieren. Insbesondere hinsichtlich des Herstellungsverfahrens soll eine einfache und kostengünstige Lösung geboten werden, ein Faserverbund bauteil bzw. ein Faserverbundhalbzeug herzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die wenigstens eine optimierte Eigenschaft hinsichtlich Anforderungen aus Lasteinwirkungen bewirkt. Insbesondere soll die Erfindung eine Lösung bereitstellen, die eine Erhöhung der Schubsteifigkeit und der Biegesteifigkeit ermöglicht. Zumindest soll zu bisher bekannten Lösungen eine alternative Lösung gefunden werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Faserverbund halbzeug für ein Faserverbundbauteil, insbesondere für ein Faserverbund bauteil einer Windenergieanlage, umfassend einen Schichtaufbau mit einem Formkern, bestehend aus oder umfassend ein Formkernmaterial, und einer an den Formkern angrenzenden Faserschicht, bestehend aus oder umfassend ein Faserschichtmaterial, und mehrere in den Formkern eingebrachte Ve rstä rku ng sstä be , bestehend aus oder umfassend ein
Verstärkungsmaterial, wobei das Verstärkungsmaterial eine höhere Steifigkeit aufweist als das Formkernmaterial, wobei die mehreren Verstärkungsstäbe in einem Winkel zu einer Formkernebene in den Formkern eingebracht sind, und wobei mindestens ein Verstärkungsstab der mehreren Verstärkungsstäbe in einem Winkel zu einer Orthogonalen zu der Formkernebene in den Formkern eingebracht ist.
Die Erfindung beruht unter anderem auf den im Folgenden dargestellten Erkenntnissen über existierende Faserverbundhalbzeuge für Faserverbund bauteile. Faserverbundhalbzeuge für Faserverbund bauteile können unterschiedliche Bestandteile umfassen. Für die Eigenschaften der aus den Faserverbund halbzeugen herzustellenden Faserverbund bauteile sind in der Regel stoffliche und unter Umständen auch geometrische Eigenschaften der einzelnen Bestandteile von Bedeutung. Dies ermöglicht es, in einem Faserverbund bauteil Eigenschaften unterschiedlicher Bestandteile miteinander zu verbinden und insbesondere dadurch die Eigenschaften der Faserverbund bauteile, vorzugsweise durch die Wahl der Bestandteile, insbesondere bevorzugt zweckgebunden hinsichtlich ihres Einsatzgebietes, einzustellen.
Insbesondere bei Großbauteilen, die vorzugsweise besonderen Belastungen ausgesetzt sind, wie zum Beispiel bei Rotorblättern und anderen Bauteilen einer Windenergieanlage, treten hohe und stark variierende Lasteinwirkungen, insbesondere statische und dynamische Belastungen, auf, die mit einem an Größe zunehmenden Bauteil einer Windenergieanlage weiter zunehmen. Rotorblätter einer Windenergieanlage sind in der Regel derart zu entwickeln, dass sie ein geringes Gewicht bei relativ hoher struktureller Festigkeit, sowie verschiedene Härtegrade und eine auf die Lasteinwirkung ausgerichtete Zugfestigkeit, aufweisen. Insbesondere sind Rotorblätter derart zu entwickeln, dass sie hohen statischen und dynamischen Belastungen, insbesondere auch langjährig, stand halten können. Aufgrund dieser Anforderung, insbesondere hinsichtlich der auftretenden Lasteinwirkungen, umfassen oder bestehen die Rotorblätter insbesondere aus Faserverbund bauteilen.
Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass es besonders vorteilhaft ist, Faserverbund halbzeuge, umfassend mindestens zwei Schichten, in Dickenrichtung zu verstärken, um insbesondere eine Erhöhung der Schubsteifigkeit und Biegesteifigkeit des Faserverbund bauteils zu erzielen. Darüber hinaus soll insbesondere eine Übertragung von Schubkräften zwischen den Schichten verbessert werden. Existierende Lösungen sehen hierfür vor, einzelne Bestandteile der Faserverbund halbzeuge, insbesondere die mindestens zwei Schichten, durch eine Vielzahl gleichgerichteter Verbindungselemente, die sich durch die einzelnen Bestandteile erstrecken, zu verbinden. Hierbei werden die Verbindungselemente oftmals - unabhängig von tatsächlich auftretenden Lasteinwirkungen - über eine gesamte Oberflächenerstreckung in Dickenrichtung in das Faserverbundhalbzeug eingebracht. Dies geht jedoch mit steigenden Materialkosten und insbesondere auch mit einem zunehmenden Gewicht des Faserverbundhalbzeugs und damit auch des Faserverbundbauteils einher. Existierende Lösungen sind ausgebildet, um Verbindungselemente in ungekrümmten Oberflächen exakt einbringen zu können. Oftmals weisen Faserverbund bauteile jedoch auch stark gekrümmte Bereiche auf, die insbesondere funktionsbedingt gekrümmt sind. Hierbei ist es erforderlich, die Verformbarkeit und Steifigkeit des Faserverbund bauteils und insbesondere der stark gekrümmten Bereiche an Anforderungen aus auftretenden Lasteinwirkungen in Abhängigkeit eines Einsatzgebiets des Faserverbund bauteils anzupassen.
In der hier beschriebenen Lösung wird ein Faserverbundhalbzeug mit einem Formkern und einer Faserschicht in einer schichtförmigen Anordnung bereitgestellt. Ferner sind Verstärkungsstäbe in den Formkern in einem Winkel größer 0°, vorzugsweise in einem Winkel größer 30°, zu einer Formkernebene eingebracht. Hierbei ist mindestens ein Verstärkungsstab in einem Winkel ungleich 90° zu der Formkernebene in den Formkern eingebracht. Die Verstärkungsstäbe sind somit in unterschiedlichen Winkeln in den Formkern eingebracht und bestehen hierbei aus oder umfassen ein Verstärkungsmaterial, das eine höhere Steifigkeit aufweist als ein Formkern material, um in den Formkern ohne Längen- und Formveränderung eingebracht werden zu können und, um diesen zu verstärken.
Der hierin beschriebene Formkern ist vorzugsweise ein dreidimensionales Element und/oder weist vorzugsweise eine flächige Erstreckung in einer Formkernebene auf, wobei die Formkernebene in mindestens einer Ebene gekrümmt sein kann, beispielsweise zylinderförmig oder schalenförmig, und/oder weist vorzugsweise eine Dicke in Richtung orthogonal zur Formkernebene auf. Vorzugsweise ist Dicke um ein Vielfaches kleiner als eine Erstreckung in einer Richtung der Formkernebene. Die Richtung orthogonal zur Formkernebene kann auch als Dickenrichtung bezeichnet werden.
Durch diese Ausgestaltung des Faserverbundhalbzeugs können geforderte Eigenschaften, wie zum Beispiel hinsichtlich Festigkeit, Steifigkeit bzw. Dehnbarkeit, optimiert werden, um unter Lasteinwirkung ein optimiertes Verhalten eines aus dem Faserverbundhalbzeug herzustellenden Faserverbund bauteils zu erzielen. Insbesondere kann durch die Verstärkungsstäbe der Elastizitätsmodul des Formkerns in Dickenrichtung erhöht werden.
Ferner gewährleistet eine aus der Ausgestaltung des Faserverbund halbzeugs resultierende höhere Biegesteifigkeit und Schubsteifigkeit, die eine langfristige und den Lasteinwirkungen entgegen gerichtete Steifigkeit und/oder Festigkeit. Insbesondere ein Schubmodul erhöht werden und ein Grad der Schubmoduländerung über eine Anzahl und den Winkel der eingebrachten Ve rstä rku ng sstä be beeinflusst und somit lokal optimal angepasst werden. Vorteilhaft ist ferner, dass durch das spezifische Einbringen der Verstärkungsstäbe, insbesondere hinsichtlich einer Richtung in der sich die Verstärkungsstäbe erstrecken, definiert durch einen Winkel zu der Formkernebene sowie einem Winkel zu der Orthogonalen zu der Formkernebene, Faserverbundhalbzeuge bereitgestellt werden können, deren Eigenschaften an lokale Belastungen angepasst sind, um hierdurch eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus zu ermöglichen.
Darüber hinaus können insbesondere dünnere Formkerne und/oder Faserschichten eingesetzt werden und/oder weniger dichte und leichtere Formkernmaterialien eingesetzt werden. Damit einhergehend können Gewicht und Kosten eingespart werden.
Das gemäß der Lösung der Erfindung beschriebene Faserverbundhalbzeug ist im Wesentlichen in einer Sandwichbauweise hergestellt. Hierbei werden Bestandteile mit verschiedenen Eigenschaften in Schichten zusammengesetzt. Die Bestandteile sind ein Formkern und mindestens eine, vorzugsweise kraftaufnehmende, Faserschicht, die vorzugsweise in einer Dickenrichtung an den Formkern angrenzt.
Vorzugsweise kann eine zweite Faserschicht vorgesehen sein, wobei die Faserschichten durch den Formkern auf Abstand gehalten werden können. Hierbei umfasst der Schichtaufbau vorzugsweise eine oberseitige Faserschicht und eine unterseitige Faserschicht, wobei der Formkern zwischen der oberseitigen Faserschicht und der unterseitigen Faserschicht angeordnet ist und vorzugsweise als ein Distanzhalter dient. Der Formkern kann vorzugsweise Schubkräfte zwischen der oberseitigen Faserschicht und der unterseitigen Faserschicht übertragen.
Sofern auf die Anordnung der Faserschichten im Schichtaufbau Bezug genommen wird, beziehen sich Richtungsangaben, wie zum Beispiel oberseitig und unterseitig, vorzugsweise auf den Schichtaufbau, vorzugsweise auf den Formkern oder die Faserschicht, in einer Anordnung zur Herstellung des Faserverbundbauteils bzw. des Faserverbundhalbzeugs mit einer schichtförmigen Anordnung von unten nach oben in der Reihenfolge: gegebenenfalls Faserschicht - Formkern - gegebenenfalls Faserschicht. Der Formkern weist vorzugsweise eine, insbesondere flächige, Erstreckung in der Formkernebene und eine Dicke orthogonal zu der Formkernebene auf. Vorzugsweise kann der Formkern hierbei einer Formgebung dienen. Das Formkernmaterial kann insbesondere eine niedrige Dichte aufweisen. Besonders bevorzugt sind hierbei strukturelle Formkernmaterialien. Vorzugsweise können Formkernmaterialien eine hohe mechanische Stabilität und insbesondere ein niedriges Gewicht aufweisen.
In der Regel können Formkernmaterialien eine sehr geringe Festigkeit aufweisen und eine Endfestigkeit erst durch ein Kontaktieren, insbesondere durch ein Tränken, mit einem Matrixmaterial und ein Aushärten des Matrixmaterials erreichen. Ein mit Matrixmaterial kontaktiertes, insbesondere getränktes, Formkernmaterial, insbesondere nach einem Aushärten, kann vorzugsweise ausgebildet sein, um auftretende Schubkräfte und vorzugsweise Zugkräfte zu übertragen und die Faserschicht bzw. gegebenenfalls die Faserschichten zu stützen.
Das Faserschichtmaterial der Faserschicht umfasst oder besteht aus einzelnen Fasern, vorzugsweise einem Fasergelege. Vorzugsweise kann das Faserschichtmaterial in das Matrixmaterial eingebettete Fasern umfassen, und insbesondere ein faserverstärkter Kunststoff sein.
Das Matrixmaterial bildet hierbei eine Matrix, die in der Regel als ein Füll- und Klebstoff zwischen den Fasern dient. Hierdurch werden die Fasern in einem Faserverbundmaterial in Position gehalten und Spannungen zwischen den Fasern übertragen und verteilt. Darüber hinaus kann die Matrix als ein Schutz vor von extern einwirkenden mechanischen und/oder chemischen Einflüssen dienen. Als Matrixmaterial kann vorzugsweise härtbares Polymermaterial verwendet werden.
In der hier beschriebenen Lösung ist der Formkern, insbesondere der Schichtaufbau, mit den Verstärkungsstäben verstärkt. Unter einem Verstärkungsstab kann ein insbesondere formstabiler, vorzugsweise ein steifer, und insbesondere im Wesentlichen gerader Körper verstanden werden. Der Verstärkungsstab weist hierbei eine Erstreckung in Längenrichtung auf, die um ein Vielfaches größer ist als eine Erstreckung in Breitenrichtung und der sich daraus ergebenden Querschnittsfläche. Die Formstabilität der Verstärkungsstäbe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Verstärkungsstäbe im Wesentlichen längen- und querschnittsstabil ausgebildet sind. Um eine Längen-und Querschnittsstabilität zu gewährleisten, sieht die Lösung der Erfindung vor, dass das Verstärkungsmaterial eine höhere Steifigkeit, insbesondere auch eine höhere Festigkeit, als das Formkernmaterial aufweist. Insbesondere bevorzugt kann das Verstärkungsmaterial auch eine höhere Steifigkeit und/oder Festigkeit als die Faserschicht aufweisen. Hierdurch können die Verstärkungsstäbe ohne Änderung der Geometrie in den Formkern eingebracht werden. Insbesondere können die Verstärkungsstäbe schießbar ausgestaltet sein. Hierbei weist das Verstärkungsmaterial einen Elastizitätsmodul in der Höhe von mindestens 8 GPa auf. Vorzugsweise können die Verstärkungsstäbe eine insbesondere glatte Oberfläche aufweisen und insbesondere pultrudiertes oder anderweitig vorausgehärtete Faserverbundmaterialien wie z.B. GFK oder CFK, Glasfasern, Holz, Titan, Aluminium oder ähnliches umfassen oder daraus bestehen.
Im Vergleich zu dem Formkernmaterial weisen die Verstärkungsstäbe beim Einbringen in den Formkern eine Endfestigkeit auf, die durch das Kontaktieren mit dem Matrixmaterial vorzugsweise nicht wesentlich weiter erhöht werden kann. Unter eine Endfestigkeit kann hierbei eine Festigkeit verstanden werden, die geeignet ist, um das
Faserverbundhalbzeug, insbesondere an beul-kritischen Stellen, zu verstärken.
Die Verstärkungsstäbe können vorzugsweise eine Ausrichtung in dem Formkern aufweisen, die insbesondere funktionsbedingt ist. Vorzugsweise können die Verstärkungsstäbe in einem Winkel von 30° bis kleiner 90°, vorzugsweise in einem Winkel von 40° bis 80°, weiter vorzugsweise von 45° zu der Formkernebene in den Formkern eingebracht sein. Unter dem hier angegebenen Winkel kann insbesondere ein Schnittwinkel verstanden werden, der als kleinster Winkel zwischen der Formkernebene und dem Verstärkungsstab definiert ist.
Unter einem Faserverbund halbzeug kann grundsätzlich ein Halbfabrikat bzw. eine vorgefertigte Rohmaterialform verstanden werden. Ein Faserverbund halbzeug ist demnach kein vollständig fertiggestelltes Produkt und wird erst später zu einem Fertigerzeugnis, also zu einem Faserverbund bauteil, weiterverarbeitet. Ein
Faserverbund halbzeug umfasst oder besteht aus Bestandteilen, die vorzugsweise entsprechend angeordnet und in eine grundlegende geometrische Form gebracht wurden. Ferner ist ein Faserverbund halbzeug vorzugsweise so auszulegen, dass es die Form und die Abmessungen des herzustellenden Faserverbundbauteils möglichst exakt aufweist, um eine kostengünstige Fertigung des Faserverbund bauteils zu ermöglichen. Sofern auf Eigenschaften der Faserverbund halbzeuge und/oder Faserverbund bauteile, Anforderungen, Belastungen, Lasteinwirkungen oder ähnliches Bezug genommen wird, beziehen sich diese Angaben auf ein Fertigerzeugnis, umfassend oder bestehend aus einem Faserverbund bauteil mit einem Faserverbundhalbzeug. Die Anforderungen, insbesondere an die Eigenschaften, ergeben sich z.B. aus den auf das Fertigerzeugnis einwirkenden, insbesondere zu erwartenden, Belastungen und Lasteinwirkungen und sind bei der Konstruktion und der Herstellung des Faserverbundhalbzeugs und des Faserverbund bauteils zu berücksichtigen.
In einer bevorzugten Fortbildung des Faserverbund halbzeugs ist vorgesehen, dass sich die Verstärkungsstäbe ganz oder teilweise durch den Formkern erstrecken. Gemäß dieser Ausgestaltung können die Eigenschaften des Faserverbund halbzeugs weiter an definierte Anforderungen, insbesondere hinsichtlich eines Einsatzgebiets des aus dem Faserverbundhalbzeugs herzustellenden Faserverbund bauteils, angepasst werden.
Vorzugsweise können sich die Verstärkungsstäbe mindestens durch einen Teil des Formkerns erstrecken, vorzugsweise mindestens durch bis zu 1/2 der Dicke des Formkerns oder weiter vorzugsweise bis zu 2/3 der Dicke oder 3/4 der Dicke oder 4/5 der Dicke des Formkern.
Insbesondere bevorzugt können sich mindestens 3/4 oder 2/3 oder 1/2 der Anzahl der Verstärkungsstäbe durch einen Teil des Formkerns erstrecken, vorzugsweise mindestens bis zu 1/2 der Dicke des Formkerns oder weiter vorzugsweise bis zu 2/3 der Dicke oder 3/4 der Dicke oder 4/5 der Dicke des Formkerns. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Faserverbund halbzeugs hinsichtlich an lokale Belastungen angepasste Eigenschaften und der Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus erzielt werden. Vorzugsweise können sich die Verstärkungsstäbe durch den Formkern erstrecken und einen Anbindungsbereich an der Faserschicht aufweisen, wobei die Ve rstä rku ng sstä be die Faserschicht im Anbindungsbereich mindestens berühren. Insbesondere bevorzugt können sich die Verstärkungsstäbe durch den Anbindungsbereich erstrecken, wobei sich die Verstärkungsstäbe vorzugsweise durch den Formkern und in die Faserschicht, weiter vorzugsweise durch die Faserschicht erstrecken. Dadurch können bei einem späteren Herstellen des Faserverbund bauteils die Verstärkungsstäbe an die Faserschicht und an den Formkern angebunden werden. Hierdurch können insbesondere Fehlstellen in einem Kontaktbereich zwischen dem Formkern und der Faserschicht bei der Herstellung des Faserverbund bauteils ausgeglichen werden. Ferner kann hierdurch eine verbesserte Übertragung von Schubkräften zwischen dem Formkern und der Faserschicht gewährleistet werden.
Ferner vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich die Verstärkungsstäbe in Richtung von einer ersten Endfläche des Schichtaufbaus zu einer zweiten Endfläche des Schichtaufbaus erstrecken, wobei die erste Endfläche der zweiten Endfläche gegenüberliegt. Diese Richtung beschreibt hierbei die Dickenrichtung des Schichtaufbaus, wobei vorzugsweise die Dicke des Schichtaufbaus eine Summe aus einer Dicke des Formkerns und einer Dicke der Faserschicht umfasst. Eine Endfläche des Schichtaufbaus kann vorzugsweise eine Oberfläche des Formkerns oder eine Oberfläche der Faserschicht sein.
Insbesondere bevorzugt können sich die Verstärkungsstäbe ganz oder teilweise durch die Faserschicht erstrecken. Hierdurch können insbesondere Fehlstellen in einem Kontaktbereich zwischen dem Formkern und der Faserschicht bei der Herstellung des Faserverbund bauteils ausgeglichen werden. Ferner kann hierdurch eine bessere Übertragung von Schubkräften zwischen dem Formkern und der Faserschicht gewährleistet werden.
Vorzugsweise können sich die Verstärkungsstäbe mindestens durch einen Teil der Faserschicht erstrecken, vorzugsweise mindestens bis zu 1/2 der Dicke der Faserschicht oder weiter vorzugsweise bis zu 2/3 der Dicke oder 3/4 der Dicke oder 4/5 der Dicke der Faserschicht.
Insbesondere bevorzugt können sich mindestens 3/4 oder 2/3 oder 1/2 der Anzahl der Verstärkungsstäbe durch einen Teil der Faserschicht erstrecken, vorzugsweise mindestens bis zu 1/2 der Dicke der Faserschicht oder weiter vorzugsweise bis zu 2/3 der Dicke oder 3/4 der Dicke oder 4/5 der Dicke der Faserschicht.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass sich die Verstärkungsstäbe ganz oder teilweise durch den Formkern und ganz oder teilweise durch die Faserschicht erstrecken. Hierdurch kann der Formkern an der Faserschicht angebunden und somit insbesondere die Faserschicht mit dem Formkern verbunden werden. Dadurch kann eine Verstärkung des Faserverbund halbzeugs weiter optimiert werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich die Verstärkungsstäbe ganz oder teilweise durch den Formkern erstrecken, vorzugsweise in Richtung von einer ersten Endfläche des Schichtaufbaus zu einer zweiten Endfläche des Schichtaufbaus, wobei die erste Endfläche der zweiten Endfläche gegenüberliegt, und wobei sich vorzugsweise die Verstärkungsstäbe ganz oder teilweise durch die Faserschicht erstrecken. Durch diese Ausgestaltung kann eine Verstärkung an beulkritischen Stellen erfolgen und der Schubmodul lokal angepasst werden. Insbesondere können kürzere Verstärkungsstäbe, die sich teilweise durch den Formkern erstrecken gewählt werden, wenn entsprechend niedrigere Belastungen hinsichtlich eines Einsatzgebietes zu erwarten sind, um Gewicht und Kosten einzusparen.
Gemäß dieser Ausführungsform können die Verstärkungsstäbe im Wesentlichen im Formkern angeordnet sein. Hierbei können die Verstärkungsstäbe das Formkernmaterial verdrängen, das sich insbesondere bevorzugt um die Verstärkungsstäbe legen kann.
Eine weiter bevorzugte Fortbildung des Faserverbund halbzeugs zeichnet sich dadurch aus, dass die Verstärkungsstäbe einen maximalen Durchmesser von 5 mm, vorzugsweise einen maximalen Durchmesser von 1 mm bis 5 mm, weiter vorzugsweise einen maximalen Durchmesser von 2 mm bis 5 mm, aufweisen.
Unter einem maximalen Durchmesser kann hierbei die längste Sehne senkrecht zu einer Rotationsachse eines Verstärkungsstabs verstanden werden. Durch eine derartige Ausgestaltung der Verstärkungsstäbe können diese in den Formkern eingebracht werden, ohne das Formkernmaterial wesentlich zu schwächen, insbesondere, ohne das Formkern material zu durchbrechen.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass Verstärkungsstäbe mit unterschiedlichen maximalen Durchmessern in den Formkern eingebracht sind. Hierdurch kann eine größtmögliche Anpassung der Steifigkeit und/oder Festigkeit, insbesondere der Schubsteifigkeit, des herzustellenden Faserverbundbauteils erzielt werden.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Verstärkungsstäbe eine runde und/oder eckige Geometrie aufweisen. Besonders bevorzugt können die Verstärkungsstäbe eine mehreckige Geometrie, insbesondere eine sternförmige Geometrie, aufweisen. Hierdurch kann insbesondere eine bessere Anbindung der Verstärkungsstäbe an das Formmaterial in dem herzustellenden Faserverbund bauteil erzielt werden. Insbesondere bevorzugt weisen die Verstärkungsstäbe eine Länge größer 1 mm, vorzugsweise größer 5 mm oder 10 mm oder 20 mm oder 30 mm oder 40 mm, weiter vorzugsweise maximal 50 mm, auf.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst der Formkern einen Bereich mit mehreren Verstärkungsstäben und einen Bereich mit weniger Verstärkungsstäben. Hierbei können vorzugsweise die Bereiche mindestens 100 Stäbe pro m2 Oberfläche des Formkerns umfassen. Dadurch können die Verstärkungsstäbe funktional, also in Abhängigkeit von zu erwartenden Belastungen, verteilt in den Formkern eingebracht sein.
Vorteilhaft ist, dass die Eigenschaften der Faserverbund halbzeuge dadurch lokal und vorzugsweise individuell anpassbar sind.
Insbesondere bevorzugt kann ein Verhältnis einer Summe von Volumen der Verstärkungsstäbe zu einem Volumen des Formkerns 1 :10 oder 1 :20 oder 1 :50, weiter vorzugsweise 1 :100 betragen.
Ferner ist es bevorzugt, dass das Formkernmaterial ausgewählt ist aus einem Material oder einer Kombination aus Materialien, insbesondere Polyethylen oder Polyvinylchlorid oder Balsaholz oder Schaumstoff, insbesondere Hartschaum. Vorzugsweise kann das Formkernmaterial auch eine Dämmung umfassen oder aus einer Dämmung bestehen.
Hierbei ist es bevorzugt, dass das Formkernmaterial Polyethylen und/oder Polyvinylchlorid und/oder Balsaholz und/oder Schaumstoff, insbesondere Hartschaum, umfasst, oder aus einem dieser Materialien oder einer Kombination von zwei oder mehr dieser Materialien besteht. Insbesondere können aufgrund der Verstärkung des Formkerns mit den Verstärkungsstäben besonders leichtes Schaummaterial, vorzugsweise mit einer geringen Dichte eingesetzt werden. Dadurch können insbesondere Gewicht und Kosten weiter eingespart werden. Insbesondere ist es bevorzugt, ein ungeformtes Formkernmaterial zu verwenden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsvariante umfasst das Verstärkungsmaterial ein Matrixmaterial und ein in das Matrixmaterial eingebettete Fasern. Insbesondere bevorzugt können die Fasern im Wesentlichen unidirektional gerichtet in dem Matrixmaterial eingebettet sein. Alternativ oder ergänzend können Fasergelege und/oder Faserbündel, insbesondere unidirektionale Faserbündel in dem Matrixmaterial eingebetet sein. Hierbei ist vorzugsweise das Matrixmaterial ausgehärtet. Hierdurch können gehärtete, insbesondere versteifte, Verstärkungsstäbe bereitgestellt werden.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Verstärkungsmaterial ein Matrixmaterial und in das Matrixmaterial eingebettete Fasern umfasst, und wobei vorzugsweise das Matrixmaterial ausgehärtet ist. Gemäß dieser Ausführungsvariante umfasst das Faserverbund halbzeug, also das Halbfabrikat bzw. die Rohmaterialform, das zu einem Faserverbund halbzeug weiterzuverarbeiten ist, ausgehärtete Verstärkungsstäbe.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die in den Formkern eingebrachten Verstärkungsstäbe jeweils eine Einbringstelle an einer Oberfläche des Formkerns definieren, und die Oberfläche des Formkerns eine Vielzahl von Einbringstellen aufweist und mehrere Einbringstellen jeweils einen Einbring bereich definieren, und ein erster Einbringbereich von einem zweiten Einbring bereich beabstandet ist. Hierbei können insbesondere Einbring bereiche mindestens 30 mm voneinander beabstandet sein. Vorzugsweise können die Einbringstellen eines Einbring bereichs, insbesondere maximal 500 mm voneinander beabstandet sein.
Hierbei ist es insbesondere bevorzugt Einbring bereiche im Wesentlichen ringförmig auszubilden. Die Form eines Einbring bereichs ist hierbei definiert durch die einzelnen Einbringstellen und eine gedachte Verbindung der Einbringstellen, insbesondere verlaufend Wesentlichen durch einen Mittelpunkt. Unter dem Begriff ringförmig kann daher vorliegend nicht nur eine kreisringförmige Ausgestaltung verstanden werden, sondern auch eine polygonale und/oder mehreckige Ausgestaltung.
Die Verstärkungsstäbe können sich hierbei vorzugsweise derart durch den Formkern erstrecken, dass sie im Formkern im Wesentlichen die Form eines Kegelstumpfes beschreiben. Hierbei erweitert sich ein maximaler Durchmesser des Einbringbereichs über die Dicke des Formkerns.
Alternativ können Einbring bereiche im Wesentlichen in einer Linie angeordnete Einbringstellen umfassen. Hierbei können vorzugsweise maximal 2, 3, 4, 6, 10 oder 20 Einbringstellen einen Einbring bereich definieren.
Die in den Formkern eingebrachten Verstärkungsstäbe können auch Einbringstellen an einer Endfläche des Schichtaufbaus, definiert durch eine Oberfläche der Faserschicht definieren, insbesondere dann, wenn die Verstärkungsstäbe beim Einbringen in den Formkern durch die Faserschicht durchgeführt werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass mindestens zwei Verstärkungsstäbe in unterschiedlichen Winkeln zu der Formkernebene in den Formkern eingebracht sind. Vorzugsweise können mindestens 3 oder 4 oder 5
Verstärkungsstäbe in unterschiedlichen Winkeln zu der Formkernebene in den Formkern eingebracht sein. Insbesondere bevorzugt kann mindestens ein Viertel, vorzugsweise mindestens die Hälfte, der Verstärkungsstäbe pro Quadratmeter in unterschiedlichen Winkeln in den Formkern eingebracht sein. Hierdurch kann eine besonders zuverlässige und optimierte Kräfteübertragung, vorzugsweise Übertragung der Schubkräfte, gewährleistet werden.
Schließlich kann gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass maximal zwei von drei Verstärkungsstäben in einer Verstärkungsebene im Formkern liegen. Insbesondere bevorzugt können die drei Verstärkungsstäbe in unterschiedlichen Verstärkungsebenen im Formkern liegen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Faserverbund bauteil, insbesondere für ein Faserverbund bauteil einer Windenergieanlage, umfassend ein Faserverbund halbzeug und ein ausgehärtetes
Matrixmaterial, wobei die Verstärkungsstäbe mindestens teilweise und der Formkern in das ausgehärtete Matrixmaterial eingebettet sind und einen Verbund bilden, wobei das ausgehärtete Matrixmaterial den Verbund an die Faserschicht anbindet. Durch das ausgehärtete Matrixmaterial kann insbesondere das Formkernmaterial gehärtet sein. Weiter vorzugsweise kann durch das ausgehärtete Matrixmaterial das Faserschichtmaterial gehärtet sein. Insbesondere bevorzugt kann das ausgehärtete Matrixmaterial die Verstärkungsstäbe und/oder das Formkernmaterial an die Faserschicht anbinden. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn das Matrixmaterial die Oberfläche der Verstärkungsstäbe kontaktiert.
Vorzugsweise können die Verstärkungsstäbe in dem Faserverbund halbzeug und in dem Faserverbund bauteil, also nach einem Kontaktieren mit Matrixmaterial und Aushärten des Matrixmaterials, im Wesentlichen dieselbe Steifigkeit und/oder im Wesentlichen dieselbe Festigkeit aufweisen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Rotorblattelement für ein Rotorblatt, insbesondere für eine Windenergieanlage, wobei das Rotorblattelement mindestens ein Faserverbund bauteil umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Rotorblatt, insbesondere für eine Windenergieanlage, umfassend mindestens ein Rotorblattelement.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Windenergieanlage, umfassend einen Turm, eine Gondel und einen Rotor mit einer Rotornabe und einer Anzahl von Rotorblättern, wobei ein Rotorblatt mindestens ein Rotorblattelement mit mindestens einem Faserverbund bauteil umfasst und/oder der Turm und/oder die Gondel und/oder die Rotornabe ein Faserverbund bauteil umfasst.
Insbesondere kann die eingangs genannte Aufgabe durch eine Verwendung eines Faserverbund halbzeugs und/oder eines Faserverbund bauteils für ein Rotorblattelement zur Herstellung eines Rotorblatts einer Windenergieanlage und/oder für ein Rotorblatt und/oder für einen Turm und/oder eine Gondel und/oder einer Rotornabe einer
Windenergieanlage gelöst sein.
Darüber hinaus kann die eingangs genannte Aufgabe durch eine Verwendung eines Faserverbundhalbzeugs und/oder eines Faserverbund bauteils zur Herstellung eines Karosseriebauteils von Automobilen und/oder im Schiffs- oder Flugzeugbau und/oder im Leichtbau mit Kompositen und/oder in Bauteilen des Gebäude- bzw. des Straßenbaus und/oder in sonstigen hochbelasteten Strukturen gelöst sein.
Darüber hinaus wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch den Aspekt eines
Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbundhalbzeugs zum Herstellen eines
Faserverbund bauteils, insbesondere für ein Faserverbund bauteil einer Windenergieanlage, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Formkerns, bestehend aus oder umfassend ein Formkernmaterial, Bereitstellen einer Faserschicht, bestehend aus oder umfassend ein Faserschichtmaterial, Ausbilden eines Schichtaufbaus, durch schichtförmiges Anordnen des Formkerns und der Faserschicht, Bereitstellen mehrerer Verstärkungsstäbe, bestehend aus oder umfassend ein Verstärkungsmaterial, wobei das Verstärkungsmaterial eine höhere Steifigkeit aufweist als das Formkernmaterial,
Positionieren der mehreren Verstärkungsstäbe, wobei die mehreren Verstärkungsstäbe in einem Winkel zu einer Formkernebene, und mindestens ein Verstärkungsstab der mehreren Verstärkungsstäbe in einem Winkel zu einer Orthogonalen zu der Formkernebene positioniert wird, Einbringen der mehreren Verstärkungsstäbe in den Formkern.
Das Faserverbund halbzeug wird hierbei vorzugsweise in einer Halbschalen- Sandwichbauweise hergestellt. Insbesondere können die Verstärkungsstäbe zunächst in den Formkern eingebracht werden und anschließend die Schichten angeordnet werden. Alternativ können zunächst die Schichten angeordnet werden und anschließend die Verstärkungsstäbe in den Formkern eingebracht werden. Vorzugsweise kann hierbei das Einbringen der Verstärkungsstäbe in den Formkern ein Durchführen durch und/oder Einfuhren der Verstärkungsstäbe in die Faserschicht umfassen.
Insbesondere können die Verstärkungsstäbe derart in den Formkern eingebracht werden, vorzugsweise eingeschossen werden, dass sich diese ganz oder teilweise durch den Formkern erstrecken, vorzugsweise auch ganz oder teilweise durch die Faserschicht erstrecken. Vorzugsweise können die Verstärkungsstäbe derart in den Formkern eingebracht werden, dass sie im Schichtaufbau liegen und insbesondere nicht aus dem Schichtaufbau herausragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Verstärkungsstäbe mit einem Druck zwischen 1 bar und 10 bar, vorzugsweise mit einem Druck zwischen 4 bar und 8 bar, weiter vorzugsweise mit einem Druck von 7 bar in den Formkern eingebracht. Insbesondere bevorzugt können die Verstärkungsstäbe in den Formkern eingeschossen und/oder eingehämmert werden. Ferner können die Verstärkungsstäbe beispielsweise mittels eines Federsystems in den Formkern eingebracht, vorzugsweise getackert, werden.
Vorzugsweise können die Verstärkungsstäbe mit einem Druck und/oder einer Geschwindigkeit in den Formkern eingeschossen werden, sodass die Verstärkungsstäbe in den Formkern eingebracht werden, sodass die Verstärkungsstäbe im Ganzen innerhalb des Schichtaufbaus liegen. Insbesondere werden die Verstärkungsstäbe hierbei nicht durch den gesamten Schichtaufbau durchgeschossen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass ein eingebrachter Verstärkungsstab nicht aus dem Schichtaufbau herausragt. Insbesondere bevorzugt können Verstärkungsstäbe einzeln in den Formkern eingebracht werden. Weiter bevorzugt können die Verstärkungsstäbe in Gruppen eingebracht werden. Vorzugsweise umfassen hierbei die Gruppen gleichgerichtete und/oder voneinander beabstandete, insbesondere regelmäßig voneinander beabstandete, Verstärkungsstäbe. Ferner können vorzugsweise eine erste Gruppe und eine zweite Gruppe zeitgleich in den Formkern eingebracht werden. Vorzugsweise können die erste Gruppe und die zweite Gruppe zeitgleich oder zeitversetzt in den Formkern eingebracht werden. Insbesondere können mehrere Gruppen von zwei oder mehreren Verstärkungsstäben zeitgleich oder zeitversetzt in den Formkern eingebracht werden. Insbesondere bevorzugt kann das Einbringen der Verstärkungsstäbe ein Bereitstellen eines Verstärkungsmaterials, ein Schneiden eines Verstärkungsstabs von dem Verstärkungsmaterial und ein Einführen des Verstärkungsstabs in den Formkern umfasst, wobei vorzugsweise der Verstärkungsstab durch die Faserschicht durchgeführt wird.
Vorzugsweise kann ein eingebrachter Verstärkungsstab einen Überstand aufweisen, der aus dem Formkern und/oder aus der Faserschicht ragt, aufweisen, wobei dem Einbringen der Verstärkungsstäbe hierbei der Schritt eines Abtrag e ns des Überstands nachgelagert sein kann.
Weiter vorzugsweise kann eine Faserschicht nach dem Durchführen der Verstärkungsstäbe und ggf. nach dem Abtragen von Überständen versiegelt werden. Insbesondere bevorzugt kann der Schritt des Einbringens der Verstärkungselemente in den Formkern folgende, sich wiederholende Schritte umfassen: Bereitstellen eines Endlosverstärkungsmaterials, vorzugsweise aufgewickelt auf einer Spule, Schneiden des Endlosverstärkungsmaterials auf eine definierte Länge, vorzugsweise mit einem Handgerät und Einbringen eines geschnittenen Verstärkungsstabs in den Formkern. Insbesondere bevorzugt kann der Schritt des Bereitstellens des Endlosverstärkungsmaterials ein Auswählen eines Verstärkungsmaterials aus einer Gruppe von Materialien, die eine höhere Steifigkeit als das Formkernmaterial aufweist, umfassen.
Weiter vorzugsweise kann der Schritt des Bereitstellens des Endlosverstärkungsmaterials ein Auswählen eines Verstärkungsmaterials und Aufträgen eines Haftvermittlers auf eine Oberfläche des Verstärkungsmaterials umfassen. Hierdurch können insbesondere die Adhäsionseigenschaften von Oberflächen verbessert werden. Haftvermittler können vorzugsweise als eine Grundierung auf eine Oberfläche des Verstärkungsmaterials aufgetragen werden.
Insbesondere bevorzugt kann das Bereitstellen des Endlosverstärkungsmaterials ein Auswählen eines Verstärkungsmaterials aus einer Gruppe von Materialien umfassend pultrudiertes GFK und/oder pultrudiertes CFK, insbesondere bevorzugt Duromere, und/oder Holz und/oder Aluminium, umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Schritt des Einbringens der Verstärkungselemente in den Formkern ein Durchführen der Verstärkungselemente durch die Faserschicht umfassen.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Verstärkungsstäbe in den Formkern eingeschossen werden, vorzugsweise mit einer Luftpistole. Hierbei wird keine spezifische Fertigungsanlage benötigt. Die Luftpistole kann beispielsweise manuell durch ein Personal betätigt werden. Vorteilhaft daran ist, dass die Verstärkungsstäbe unabhängig von einer Geometrie des Faserverbund halbzeugs in den Formkern eingebracht werden können. Darüber hinaus können hierdurch die Verstärkungsstäbe einzeln, insbesondere in Abhängigkeit zu erwartender Belastungen, in den Formkern eingebracht werden. Dieser Fertigungsschritt kann als ein Zwischenschritt in die herkömmliche Abfolge von Fertigungsschritten integriert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, insbesondere für eine Windenergieanlage, vorzugsweise für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, umfassend die Schritte: Herstellen eines Faserverbund halbzeugs, Kontaktieren des Formkerns und der in den Formkern eingebrachten Verstärkungsstäbe mit einem Matrixmaterial, wobei das Matrixmaterial die Verstärkungsstäbe zumindest teilweise und den Formkern einbettet, und Aushärten des Matrixmaterials, wobei das ausgehärtete Matrixmaterial einen Verbund bildet und den Verbund an die Faserschicht anbindet.
Gemäß der vorgeschlagenen Lösung der Erfindung können die Faserverbund bauteile durch eine Harzinfusion, vorzugsweise eine Vakuuminfusion, hergestellt werden. Hierbei werden die Bestandteile des Faserverbund bauteils mit einem temperierten und flüssigen Matrixmaterial kontaktiert. Hierdurch können trockene Fasern der Bestandteile vollständig mit dem Matrixmaterial getränkt und durch Aushärten des Matrixmaterials gehärtet werden. Vorliegend umfasst das Formkernmaterial trockene Fasern. Darüber hinaus kann die Faserschicht trockene Fasern umfassen.
Bei einer Vakuuminfusion wird das Faserverbund halbzeug mit einer Folie versehen, die das Faserverbund halbzeug insbesondere im Wesentlichen fluiddicht umschließt, um einen von der Folie umgebenden Raum, insbesondere mittels einer Vakuumpumpe, zu evakuieren. Infolgedessen weist das Faserverbund halbzeug, insbesondere die Bestandteile des Faserverbund halbzeugs umfassend die trockenen Fasern, vorzugsweise das Formkernmaterial und/oder das Faserschichtmaterial, keine Luft mehr auf. Der Luftdruck presst hierbei die Faserschicht und den Formkern zusammen und fixiert diese darüber hinaus. Bei diesem Verfahren kann das temperierte, flüssige Matrixmaterial durch das angelegte Vakuum in das Formkern material und/oder in das Faserschichtmaterial gesaugt werden.
Das Aushärten des Matrixmaterials kann insbesondere thermisch und/oder in Abhängigkeit einer Reaktion erfolgen. Insbesondere durch die Reihenfolge der Fertigung, umfassend zunächst das Herstellen des Faserverbund halbzeugs und anschließendem Tränken der Fasern der Bestandteile mit Matrixmaterial und Aushärten des Matrixmaterials, können die durch das Einbringen der Verstärkungsstäbe in den Formkern entstehenden Einbringstellen von dem Matrixmaterial aufgefüllt und verschlossen werden. Hierdurch kann insbesondere ein Lochleibungsversagen verhindert werden.
Im ausgehärteten Zustand kann das Matrixmaterial insbesondere den Formkern an die Faserschicht anbinden. Vorzugsweise kann das Matrixmaterial auch die Verstärkungsstäbe an den Formkern sowie an die Faserschicht anbinden. Hierdurch können etwaige Fehlstellen im Kontaktbereich zwischen Formkern und Faserschicht bzw. Formkern und Matrixmaterial ausgeglichen werden. Durch eine derartige zusätzliche Verstärkung des Faserverbund bauteils können auch Schwächungen des Verbunds durch Rissbildungen, die bei einem Aushärten des Matrixmaterials entstehen können, ausgeglichen werden.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass hierdurch die Bestandteile des Faserverbund halbzeugs und insbesondere des Faserverbund bauteils dauerhaft miteinander verbunden und/oder aneinander fixiert und/oder aneinander zum Haften gebracht ist, sodass ein dreidimensionales Bauteil entsteht. Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Au sf ü h ru ng sd eta i Is dieser weiteren Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die zuvor erfolgte Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen des Verfahrens verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische, dreidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform einer Windenergieanlage;
Fig. 2 eine schematische, dreidimensionale Darstellung eines
Faserverbund halbzugs gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 3 schematische, dreidimensionale Darstellung eines Faserverbund bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 schematische, dreidimensionale Darstellung eines Faserverbund halbzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 schematische, dreidimensionale Schnittdarstellung eines Rotorblatts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig.6 schematische, zweidimensionale Darstellung eines Rotorblatts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 7 exemplarische Verfahrensschritte zum Herstellen eines
Faserverbundhalbzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 8 exemplarische Verfahrensschritte zum Herstellen eines
Faserverbund bauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In den Figuren sind gleiche oder im Wesentliche funktionsgleiche bzw. -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Fig. 1 zeigt eine schematische, dreidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Windenergieanlage. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf dem Turm 102 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 vorgesehen. Der aerodynamische Rotor 106 wird im Betrieb der Windenergieanlage durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und dreht somit auch einen elektrodynamischen Rotor oder Läufer eines Generators, welcher direkt oder indirekt mit dem aerodynamischen Rotor 106 gekoppelt ist. Der elektrische Generator ist in der Gondel 104 angeordnet und erzeugt elektrische Energie. Faserverbund bauteile 200 können für unterschiedliche Komponenten der Windenergieanlage 100 genutzt werden. Gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Rotorblatt 108 ein Rotorblattelement 1080 mit mindestens einem Faserverbund bauteil 200 wie hierin beschrieben.
In Figur 2 ist eine schematische, dreidimensionale Ansicht eines Faserverbund halbzeugs 210 gezeigt. Das Faserverbundhalbzeug 210 umfasst einen Schichtaufbau mit einer oberseitigen Faserschicht 230b, einen Formkern 220 und einer unterseitigen Faserschicht 230b. Zur besseren Darstellung sind in Figur 2 ein Formkernmaterial des Formkerns 220 und ein Faserschichtmaterial der oberseitigen Faserschicht 230a und der unterseitigen Faserschicht 230b durchsichtig dargestellt. Der Formkern 220 beabstandet hierbei die oberseitige Faserschicht 230a und die unterseitige Faserschicht 230b. Darüber hinaus umfasst das Faserverbund halbzeug 210 eine Vielzahl von Verstärkungsstäben 240, die in einem Winkel größer 0° zu einer Formkernebene 2210 und in einem Winkel ungleich 90° zu der Formkernebene 2210 in den Formkern 220 eingebracht sind. Die Verstärkungsstäbe 240 erstrecken sich gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform durch die oberseitige Faserschicht 230a, den Formkern 220 und die unterseitige Faserschicht 230b. Hierdurch können die Faserschichten 230a, b an den Formkern 220 angebunden werden und insbesondere eine Übertragung von Schubkräften zwischen den Faserschichten 230a, b und vorzugsweise zwischen einer der Faserschicht 20a, b und dem Formkern 220, verbessert werden.
Figur 3 zeigt ein Faserverbund bauteil 200 mit einer oberseitigen Faserschicht 230b, einem Formkern 220, einer unterseitigen Faserschicht 230b und einer Vielzahl von Verstärkungsstäben in einer schematischen, dreidimensionalen Ansicht. Der Formkern 220 weist hierbei eine flächige Erstreckung in einer Formkernebene 2210 und eine
Erstreckung in Dickenrichtung, definiert durch die Dicke 2220, die sich orthogonal zu der Formkernebene erstreckt, auf. Die Formkernebene 2210 ist hierbei im Wesentlichen durch eine Längsachse und eine Querachse des Formkerns aufgespannt. Hierbei ist es insbesondere bevorzugt, dass sich die Längsachse und die Querachse in einem Mittelpunkt und/oder einem Schwerpunkt des Faserverbund bauteils 200 schneiden. Eine Endfläche des Schichtaufbaus, definiert durch eine Oberfläche der oberen Faserschicht 320a weist gemäß dieser Ausführungsform mehrere Einbringstellen 310a-e auf. Die Einbringstellen 310a-e definieren hierbei mehrere Einbring bereiche 320a-e, die voneinander beabstandet sind. Erste Einbring bereiche 320a-c sind im Wesentlichen in Form einer Linie ausgebildet und umfassen jeweils drei Einbringstellen 310a-c. In dieser Ausführungsform sind zweite Einbring bereiche 320d,e vorgesehen, die durch Einbringstellen 310d,e definiert sind. Diese Einbring bereiche 320d,e umfassen vier Einbringstellen 31 Oe bzw. fünf Einbringstellen 31 Od, die im Wesentlichen ringförmig angeordnet sind. Das Faserverbund bauteil 200 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel Bereiche mit mehreren Verstärkungsstäben 3300 und Bereiche mit weniger Verstärkungsstäben 3400 auf.
Das Faserverbund bauteil 200 umfasst ein ausgehärtetes Matrixmaterial, das die Verstärkungsstäbe in den Formkern 220 und in die Faserschichten 230a, b einbettet. Das Matrixmaterial bindet hierbei einen Verbund aus Formkern 220 und Verstärkungsstäbe an die Faserschichten 230a, b an. Darüber hinaus verschließt das Matrixmaterial die Einbringstellen 310a-e Hierdurch kann insbesondere ein Lochleibungsversagen verhindert werden.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Faserverbundhalbzeugs 210 in einer dreidimensionalen Ansicht. Das Faserverbundhalbzeug 210 weist eine oberseitige Faserschicht 230a, einen Formkern 220 und eine unterseitige Faserschicht 230b auf. Zur besseren Darstellung sind in Figur 4 ein Formkernmaterial des Formkerns 220 und ein Faserschichtmaterial der oberseitigen Faserschicht 230a und der unterseitigen Faserschicht 230b durchsichtig dargestellt. Der Formkern 220 dient hierbei als Distanzhalter und beabstandet die oberseitige Faserschicht 230a von der unterseitigen Faserschicht 230b. Die obere Endfläche des Schichtaufbaus, umfassend die
Faserschichten 230a, b und den Formkern 220, die durch eine Oberfläche der oberseitigen Faserschicht 230a definiert ist, weist fünf Einbringstellen 310 auf, die einen im Wesentlichen ringförmigen Einbring bereich 320 definieren. Die Einbringstellen 310 sind im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet. Ausgehend von den Einbringstellen erstrecken sich die Ve rstärku ngsstä be 240 durch die oberseitige
Faserschicht 230a in den Formkern 220. Hierbei erweitert sich ein maximaler Durchmesser des Einbringbereichs 320 über die Dicke des Formkerns 220. Die Verstärkungsstäbe 240 definieren hierbei im Wesentlichen einen Kegelstumpf. Figur 5 zeigt eine schematische, dreidimensionale Ansicht einer Schnittdarstellung eines Rotorblatts 108. Das Rotorblatt 108 weist ein Rotorblattelement 1080 auf, dass ein Faserverbund bauteil 200 umfasst. Das Faserverbundbauteil 200 weist hierbei eine Vielzahl von Verstärkungsstäben 240 auf, die das Faserverbund bauteil 200 und mithin auch das Rotorblattelement 1080 bzw. das Rotorblatt 108 verstärken.
Figur 6 zeigt entsprechend ein Rotorblatt 108 in einer schematischen, zweidimensionalen Ansicht mit einem Rotorblattelement 1080, dass ein Faserverbund bauteil 200 umfasst.
Figur 7 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund halbzeugs zum Herstellen eines Faserverbundbauteils. Hierbei werden zunächst die einzelnen Bestandteile des Faserverbundhalbzeugs, umfassend einen Formkern 710 und zwei Faserschichten 720, 730, bereitgestellt. In einem nächsten Schritt 740 werden diese Bestandteile schichtförmig in der Reihenfolge Faserschicht - Formkern - Faserschicht angeordnet, sodass eine erste Faserschicht eine unterseitige Faserschicht, eine zweite Faserschicht eine oberseitige Faserschicht bildet und die Faserschichten von dem Formkern beabstandet werden. Ferner wird ein Endlosverstärkungsmaterial, das auf einer Spule aufgewickelt ist, bereitgestellt 750 und mit einem Handgerät auf eine definierte Länge geschnitten 751. Derart geschnittenes Endlosverstärkungsmaterial definiert einen Verstärkungsstab und wird in den Schichtaufbau, umfassend den Formkern und die zwei Faserschichten, eingegeben 760. Hierbei wird der Verstärkungsstab, insbesondere eine Luftpistole zum Einschießen des Verstärkungsstabs, zunächst in einem Winkel kleiner 90° und größer 0° zu der Formkernebene positioniert 761. Darauf folgend wird der Verstärkungsstab mit der Luftpistole durch die oberseitige Faserschicht in den Formkern eingeschossen 762. Die Schritte des Schneidens des Endlosverstärkungsmaterials auf eine definierte Länge 751 , des Positionierens des so geschnittenen Verstärkungsstabs 761 und des Einschießens des Verstärkungsstabs durch die oberseitige Faserschicht in den Formkern 762 werden mehrfach wiederholt. Hierbei wird das Endlosverstärkungsmaterials auf unterschiedliche Längen geschnitten und in unterschiedlichen Winkeln in den Schichtaufbau eingeschossen.
In Figur 8 sind einzelne Verfahrensschritte 810-890 eines Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbund bauteils gezeigt. Hierbei wird zunächst ein Faserverbund halbzeug 810-862 hergestellt. Hierbei werden zunächst ein Formkern 810 und eine Faserschicht 820 bereitgestellt. In einem nächsten Schritt werden diese Bestandteile schichtförmig angeordnet in der Reihenfolge Faserschicht 820 - Formkern 810, sodass die Faserschicht eine unterseitige Faserschicht bildet und der Formkern an die Faserschicht angrenzt. Darüber hinaus werden Verstärkungsstäbe bereitgestellt 850. Die Verstärkungsstäbe werden einzeln mit einer Luftpistole in den Formkern eingegeben 860. Hierbei wird eine Luftpistole mit einem Verstärkungsstab zunächst in einem Winkel kleiner 90° und Größe 0 zu der Formkernebene an dem Formkern positioniert 861 . Darauf folgend wird der Verstärkungsstab mit der Luftpistole in den Formkern eingeschossen 862, sodass sich dieser durch den Formkern erstreckt. Ferner wird eine Faserschicht bereitgestellt 830 und schichtförmig auf dem Formkern angeordnet 870, sodass diese eine oberseitige Faserschicht bildet und durch den Formkern von der unterseitigen Faserschicht beabstandet ist. In einem darauf folgenden Schritt wird der Schichtaufbau mit einer Folie versehen 880 und der von der Folie umgebene Schichtaufbau mit einer Vakuumpumpe evakuiert 881. Dadurch wird ein temperiertes, flüssiges Matrixmaterial in den Schichtaufbau, also in den Formkern und in die Faserschichten, gesaugt 882. In diesem Schritt werden das Faserschichtmaterial der Faserschichten und das Formkernmaterial des Formkerns mit dem Matrixmaterial getränkt. Schließlich wird das Matrixmaterial ausgehärtet 890. Das ausgehärtete
Matrixmaterial bettet die in den Formkern eingebrachten Verstärkungsstäbe ein und bindet die einzelnen Bestandteile, also die Faserschichten, den Formkern und die Verstärkungsstäbe, aneinander.
Faserverbund bauteile bzw. Faserverbundhalbzeuge umfassend eine Faserschicht 230a, b einen Formkern 220 und in den Formkern 220 eingebrachte Verstärkungsstäbe 240 gemäß der Lösung der Erfindung haben verschiedene Vorteile. Insbesondere kann durch das Einbringen Verstärkungsstäbe 240 in unterschiedlichen Winkeln eine Schubsteifigkeit und eine Biegesteifigkeit des Faserverbund bauteils 200 erhöht werden. Darüber hinaus kann insbesondere eine Eigenschaft des Faserverbund bauteils 200 an lokale Belastungen angepasst werden, um hierdurch eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus zu ermöglichen.
Bezuqszeichenliste
100 Windenergieanlage
102 Turm
104 Gondel
106 aerodynamischer Rotor
108 Rotorblatt
1 10 Spinner
200 Faserverbund bauteil
210 Faserverbund halbzeug
220 Formkern
230a, b Faserschicht; oberseitige Faserschicht, unterseitige Faserschicht
240 Verstärkungsstab
310, 310a-e Einbringstelle
320, 320a-e Einbringbereich
710 Bereitstellen eines Formkerns
720 Bereitstellen einer Faserschicht, unterseitig
730 Bereitstellen einer Faserschicht, oberseitig
740 schichtförmiges Anordnen
750 Bereitstellen eines Endlosverstärkungsmaterials
751 Schneiden des Endlosverstärkungsmaterials auf eine definierte Länge
(Verstärkungsstab)
760 Eingeben der Verstärkungsstäbe
761 Positionieren des Verstärkungsstabs bzw. der Luftpistole
762 Einschießen des Verstärkungsstabs
810 Bereitstellen eines Formkerns
820 Bereitstellen einer Faserschicht, unterseitig
830 Bereitstellen einer Faserschicht, oberseitig 840 schichtförmiges Anordnen
850 Bereitstellen von Verstärkungsstäben
860 Eingeben der Verstärkungsstäbe
861 Positionieren des Verstärkungstabs
862 Einschießen des Verstärkungsstabs
870 schichtförmiges Anordnen
880 Versehen des Schichtaufbaus mit einer Folie 881 Evakuieren des Schichtaufbaus
882 Saugen des Matrixmaterials in den Schichtaufbau 890 Aushärten des Matrixmaterials
1080 Rotorblattelement
2210 Formkernebene
2220 Dicke
3300 Bereich mit mehreren Verstärkungsstäben 3400 Bereich mit weniger Verstärkungsstäben

Claims

ANSPRÜCHE
1. Faserverbund halbzeug (210) für ein Faserverbund bauteil (200), insbesondere für ein Faserverbundbauteil (200) einer Windenergieanlage (100), umfassend
- einen Schichtaufbau mit o einem Formkern (220), bestehend aus oder umfassend ein
Formkernmaterial, und o einer an den Formkern (220) angrenzenden Faserschicht (230a, b), bestehend aus oder umfassend ein
Faserschichtmaterial, und - mehrere in den Formkern (220) eingebrachte Verstärkungsstäbe (240), bestehend aus oder umfassend ein Verstärkungsmaterial, wobei das Verstärkungsmaterial eine höhere Steifigkeit aufweist als das Formkernmaterial, wobei die mehreren Verstärkungsstäbe (240) in einem Winkel zu einer Formkernebene (2210) in den Formkern (220) eingebracht sind, und wobei mindestens ein Verstärkungsstab der mehreren Verstärkungsstäbe (240) in einem Winkel zu einer Orthogonalen zu der Formkernebene (2210) in den Formkern (220) eingebracht ist.
2. Faserverbund halbzeug (210) nach Anspruch 1 , wobei sich die Verstärkungsstäbe (240) ganz oder teilweise durch den Formkern (220) erstrecken, vorzugsweise in Richtung von einer ersten Endfläche des Schichtaufbaus zu einer zweiten Endfläche des Schichtaufbaus, wobei die erste Endfläche der zweiten Endfläche gegenüberliegt, und wobei sich vorzugsweise die Verstärkungsstäbe (240) ganz oder teilweise durch die Faserschicht (230a, b) erstrecken.
3. Faserverbund halbzeug (210) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verstärkungsstäbe (240) einen maximalen Durchmesser von 5 mm, vorzugsweise einen maximalen Durchmesser von 1 mm bis 5 mm, weiter vorzugsweise einen maximalen Durchmesser von 2 mm bis 5 mm, aufweisen.
4. Faserverbund halbzeug (210) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Formkernmaterial umfasst Polyethylen und/oder Polyvinylchlorid und/oder Balsa holz und/oder Schaumstoff, insbesondere Hartschaum und/oder Metallschaum, oder aus einem dieser Materialien oder einer Kombination von zwei oder mehr dieser Materialien besteht.
5. Faserverbund halbzeug (210) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmaterial ein Matrixmaterial und in das Matrixmaterial eingebettete Fasern umfasst, und wobei vorzugsweise das Matrixmaterial ausgehärtet ist.
6. Faserverbund halbzeug (210) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
- wobei die in den Formkern (220) eingebrachten Verstärkungsstäbe (240) jeweils eine Einbringstelle (310, 310a-e) an einer Oberfläche des Formkerns (220) definieren,
- wobei die Oberfläche des Formkerns (220) eine Vielzahl von Einbringstellen (310, 310a-e) aufweist und mehrere Einbringstellen (310,
31 Oa-e) jeweils einen Einbring bereich (320, 320a-e) definieren und
- wobei ein erster Einbring bereich (320, 320a-e) von einem zweiten Einbring bereich (320, 320a-e) beabstandet ist.
7. Faserverbund halbzeug (210) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Ve rstä rku ng sstä be (240) in unterschiedlichen Winkeln zu der Formkernebene (2210) in den Formkern (220) eingebracht sind.
8. Faserverbund halbzeug (210) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei maximal zwei von drei Verstärkungsstäben (240) in einer Verstärkungsebene im Formkern (220) liegen.
9. Faserverbund bauteil (200), insbesondere für ein Faserverbund bauteil (200) einer Windenergieanlage (100), umfassend ein Faserverbund halbzeug (210) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche und ein ausgehärtetes Matrixmaterial, - wobei die Verstärkungsstäbe (240) mindestens teilweise und der
Formkern (220) in das ausgehärtete Matrixmaterial eingebettet sind und einen Verbund bilden,
- wobei das ausgehärtete Matrixmaterial den Verbund an die Faserschicht (230a, b) anbindet.
10. Rotorblattelement (1080) für ein Rotorblatt (108), insbesondere für eine Windenergieanlage (100), wobei das Rotorblattelement (1080) mindestens ein Faserverbund bauteil (200) nach dem vorstehenden Anspruch umfasst.
1 1 . Rotorblatt (108), insbesondere für eine Windenergieanlage (100), umfassend mindestens ein Rotorblattelement (1080) nach dem vorstehenden Anspruch.
12. Windenergieanlage (100), umfassend einen Turm (102), eine Gondel (104) und einen Rotor mit einer Rotornabe und einer Anzahl von Rotorblättern (1080), wobei ein Rotorblatt (108) nach dem vorstehenden Anspruch ausgebildet ist und/oder der Turm (102) und/oder die Gondel (104) und/oder die Rotornabe ein Faserverbund bauteil (200) nach Anspruch 9 umfasst.
13. Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundhalbzeugs (210) zum Herstellen eines Faserverbund bauteils (200), insbesondere für ein Faserverbund bauteil (200) einer Windenergieanlage (100), umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines Formkerns (710, 810), bestehend aus oder umfassend ein Formkernmaterial,
Bereitstellen einer Faserschicht (720, 820), bestehend aus oder umfassend ein Faserschichtmaterial,
- Ausbilden eines Schichtaufbaus, durch schichtförmiges Anordnen (740, 840) des Formkerns und der Faserschicht, Bereitstellen mehrerer Verstärkungsstäbe (750, 751 , 850), bestehend aus oder umfassend ein Verstärkungsmaterial, wobei das Verstärkungsmaterial eine höhere Steifigkeit aufweist als das Formkernmaterial, Positionieren der mehreren Verstärkungsstäbe (761 , 861 ), wobei die mehreren Verstärkungsstäbe (240) in einem Winkel zu einer
Formkernebene (2210), und mindestens ein Verstärkungsstab der mehreren Verstärkungsstäbe (240) in einem Winkel zu einer Orthogonalen zu der Formkernebene (2210) positioniert wird,
Einbringen der mehreren Verstärkungsstäbe (762, 862) in den Formkern.
14. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Verstärkungsstäbe (240) mit einem Druck zwischen 1 bar und 10 bar, vorzugsweise mit einem Druck zwischen 4 bar und 8 bar, weiter vorzugsweise mit einem Druck von 7 bar in den Formkern (220) eingebracht werden.
15. Verfahren zum Herstellen eines Faserverbund bauteils (200), insbesondere für eine Windenergieanlage (100), vorzugsweise für ein Rotorblatt (108) einer Windenergieanlage (100), umfassend die Schritte:
Herstellen eines Faserverbundhalbzeugs (210), insbesondere nach mindestens einem der Ansprüche 13 oder 14,
Kontaktieren des Formkerns (220) und der in den Formkern (220) eingebrachten Verstärkungsstäbe (240) mit einem Matrixmaterial, wobei das Matrixmaterial die Verstärkungsstäbe (240) zumindest teilweise und den Formkern (220) einbettet, und - Aushärten des Matrixmaterials (890), wobei das ausgehärtete
Matrixmaterial einen Verbund bildet und den Verbund an die Faserschicht (230a, b) anbindet.
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