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Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) weisen häufig lange vor dem Erreichen der prognostizierten Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren Risse in der Blattschale auf. Die Folge sind aufwendige Reparaturen am installierten und schwer zugänglichen Rotorblatt und der kostenintensive Nutzungsausfall durch den Stillstand der WEA. Als mögliche Initiatoren für die Schäden in der Blattschale der Rotorblätter gelten fertigungsbedingte Imperfektionen. Für die Untersuchung des Einflusses dieser Imperfektionen auf das Ermüdungsverhalten der Rotorblätter wurde an der BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) ein Prüfstand für statische und zyklische Versuche von Schalensegmenten im intermediate scale entwickelt und betrieben. Die untersuchten Schalensegmente in Sandwichbauweise sind der Rotorblattschale von WEA im Hinblick auf die Strukturmechanik, die Halbzeuge, den Laminataufbau und dem eingesetzten Fertigungsverfahren ähnlich. Als Imperfektionen wurden verschiedenen Variationen von Lagenstößen in die Hautlagen und Schaumstöße mit Breitenvariation in den Stützkern reproduzierbar eingebracht. Die Überwachung des Schädigungszustandes während der Schwingversuche unter realistischen Lastszenarien erfolgt über eine kombinierte in situ Schädigungsüberwachung mittels passiver Thermografie und Felddehnungsmessung. Mit den durchgeführten Schwingversuchen, der begleitenden Überwachung des Schädigungszustandes sowie dem validierten FEM-Modell ließen sich die Schadensinitiation und die signifikante Reduktion der Lebensdauer durch die eingebrachten Imperfektionen zweifelsfrei nachweisen. Die abgeleiteten Designregeln liefern für die Ingenieurpraxis wichtige Konstruktionshinweise und unterstützen die betriebssichere Auslegung von gekrümmten Sandwichkonstruktionen wie beispielsweise WEA-Rotorblätter.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielsetzung 2 Stand der Technik 2.1 Grundlagen FKV-Werkstoffe 2.2 Rotorblätter von Windenergieanlagen 2.2.1 Rotorblattfertigung im SCRIMP-Verfahren 2.2.2 Typische fertigungsbedingte Imperfektionen im Rotorblatt 2.2.3 Lasten am Rotorblatt 2.2.4 Rotorblattprüfung und Komponentenversuche 2.3. Schalentheorie von monolithischen und Sandwichstrukturen 2.3.1 Analytische Betrachtung orthotroper Schalen 2.3.2 Versagensverhalten von Sandwichstrukturen unter Druckbelastung 2.3.3 Analytische Beschreibung des Stabilitätsversagens von Sandwichstrukturen 2.4 Strukturverhalten von Sandwichstrukturen unter statischen und zyklischen Lasten 2.5 Versagenskriterium für monolithisches Laminat nach Puck 2.6 Ermüdungsverhalten monolithischer Winkel-Mehrschichtverbunde 2.7 Materialcharakterisierung der GFK-Decklagen 2.7.1 Statische Materialkennwerte der GFK-Decklagen 2.7.2 Schwingversuche zur Ermittlung der Wöhlerkurve der GFK-Decklagen 2.7.3 Lineare Schädigungsakkumulation zur Berechnung der Schadensbeiträge 2.7.4 Schädigungsmechanismen bei statischer Schub-Zug-Beanspruchung 2.7.5 Im RHV-Schwingversuch erfasste Schädigungsmechanismen 2.8 In situ Überwachung des Schädigungszustandes mittels zerstörungsfreier Prüfung 2.8.1 In situ Überwachung - Optische Felddehnungsmessung 2.8.2 In situ Überwachung – passive Thermografie 3 Versuchsplanung 3.1 Schalenprüfstand für Substrukturen-Versuche 3.1.1 Anforderungen an den Schalenprüfstand 3.1.2 Konstruktion und Umsetzung 3.1.3 Integrierte Zustandsüberwachung 3.2 Der Schalenprüfkörper für Substrukturen-Versuche 3.2.1 Schalenprüfkörper – Auslegung 3.2.2 Schalenprüfkörper - Fertigungsverfahren 3.2.3 Schalenprüfkörper - Eingebrachte Imperfektionen 4 Statische und zyklische Versuche an Schalenprüfkörpern 4.1 Statische Versuche an Schalenprüfkörpern 4.1.1 Mit der Felddehnungsmessung detektierte Prüfkörperverformung 4.1.2 Detektierte Z-Verschiebung mittels Felddehnungsmessung 4.1.3 Diskussion der detektierten Verformung des Schalenprüfkörpers 4.1.4 Fazit – statische Druckversuche an Sandwichschalen 4.2 Numerische Abbildung des Schalenprüfkörpers 4.2.1 Nichtlineare Stabilitätsanalyse - Schalenprüfkörper ohne Imperfektion 4.2.2 Validierung des im FEM-Schalenmodell modellierten komplexen Verformungsverhaltens unter statischer Axiallast 4.2.3 FEA – laminatschichtweise Analyse der Anstrengung (Zfb, Puck) 4.2.4 Diskussion FEM-Schalenmodell 4.3 Schwingversuche an Schalenprüfkörpern 4.3.1 Referenzprüfkörper – Einstufen-Schwingversuch 4.3.2 Referenzprüfkörper – Zweistufen-Schwingversuch 4.3.3 Referenzprüfkörper - lokaler Steifigkeitsabfall im Mehrstufen-Schwingversuch 4.3.4 Referenzprüfkörper: Fazit der Ein- und Mehrstufen-Schwingversuche 4.3.5 Zweistufen-Schwingversuche an Prüfkörpern mit Imperfektionen 4.3.6 Im Mehrstufen-Schwingversuch erreichte Lastspielzahlen 4.3.7 Nachweis der Schadensinitiierung - Ansatz zur erweiterten Auswertung der passiven Thermografie 5 Diskussion der Ergebnisse 5.1 Diskussion der statischen Schalenversuche 5.2 Diskussion der Schwingversuche von Schalenprüfköpern 5.2.1 Schadensakkumulationsprozess der Sandwich-Schalenprüfkörper unter Zug-Druck-Wechsellast 5.2.2 Lastspielzahlen: Vergleich Material- und Substrukturen-Versuche 5.2.3 Anstrengung: Vergleich Material- und Substrukturen-Versuche 5.2.4 Angewendete ZfP-Verfahren: Sichtprüfung, passive Thermografie und Felddehnungsmessung 5.3 Diskussion der Skalierung auf die Blattschale realer Rotorblätter 6 Ausblick 7 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang

Steigende Leichtbauanforderungen führten in den vergangenen Jahren zu einer verstärkten Weiterentwicklung neuer Leichtbauwerkstoffe und besonders leistungsfähiger Verfahrenstechnik für die Umsetzung leichter Automobilkomponenten in Großserie. Im Fahrzeuginterieur konnten sich naturfaserverstärkte Kunststoffe erfolgreich etablieren, die in Form flächiger Wirrfaserhalbzeuge zu formgepressten Verkleidungselementen verarbeitet werden. Für die Auslegung derartiger Verkleidungsbauteile ist eine monolithische Leichtbauweise charakteristisch, bei der zur Gewährleistung erforderlicher mechanischer Eigenschaften die minimalen Halbzeugflächenmassen bauteilabhängig im Bereich 1200–1400 g/m2 liegen. Zur Erschließung weiterer Leichtbaupotenziale stellt die Anwendung der Sandwichverbundbauweise eine aussichtsreiche Leichtbaustrategie dar, die aufgrund des Fehlens anforderungsgerechter Materialkonzepte bisher kaum Berücksichtigung fand. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines ganzheitlichen Leichtbaukonzepts in neuartiger Sandwichbauweise, welches die Anforderungen hinsichtlich der Formgebung und Bauteilstabilität erfüllt und eine signifikante Reduktion der Flächenmasse unter 1000 g/m2 gestattet. Die verfahrenstechnische Grundlage bildet eine neuartige durchgängige Prozesskette, wobei leichte Naturfaser-Polypropylen-Hybridvliesstoffe in Kombination mit einer Kunststoffschaumfolie in einem kontinuierlichen Prozess zu einem Sandwichhalbzeug und anschließend in automatisiertem Formpressverfahren zu einem komplex geformten Bauteil verarbeitet werden. Durch eine umfangreiche Charakterisierung der einzelnen Prozessschritte entlang der gesamten Prozesskette werden in zugehörigen Sensitivitätsanalysen optimale Fertigungsparameter ermittelt und bei der Herstellung eines Technologiedemonstrators validiert. Darüber hinaus wird am Beispiel dieses Technologiedemonstrators erstmalig ein integrativer Simulationsansatz erarbeitet, der umformbedingte lokale Änderungen der Flächenmasse und der resultierenden Werkstoffkennwerte bei der numerischen Steifigkeits- und Festigkeitsanalyse berücksichtigt. Abschließend erfolgt im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung die Beurteilung potenzieller Umweltwirkungen der entwickelten Sandwichverbundtechnologie sowie die Untersuchung einer verfahrenstechnischen Lösung zur stofflichen Wiederverwertung von Produktionsreststoffen und Altbauteilen.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung / Rising lightweight requirements have led in recent years to an intensified development of new lightweight materials and high-performance processing technologies for the implementation of lightweight automotive components in a large scale production. For trim parts in the automotive interior, natural fiber-reinforced plastics in the form of nonwovens, are successfully established. To fullfill the mechanical requirements, the most common design of such parts is monolithical with an component specific area weight of the semi-finished products between 1200–1400 g/m2. A promising strategy for generating further lightweight potentials are sandwich constructions, which are currently rarely used in the automotive interior, due to the lack of suitable material concepts. The aim of this work is the development of a new sandwich-based lightweight concept, that fullfills the requirements in terms of formability and component stability, by permitting a weight reduction of the semi-finished product below 1000 g/m 2 at the same time. The part production is based on a novel process chain, where light NF-PP hybrid nonwovens are continuously processed with a polymeric foam foil to a semi-finished product, that is formed afterwards to complex parts in a compression molding process. The optimal processing parameters along the entire process chain are determined by sensitivity analyses, and validated by a technology demonstrator. In addition, the technology demonstrator will be used for the development of a novel simulation approach, where local changes of the area weight in the forming process and the resulting material properties are taken into account for a numerical analysis of stiffness and strength. Finally the potential environmental impact of the new sandwich-based lightweight technology and a possible method for material recycling are investigated.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung