Holzwerkstoff- und Naturfaser-Technologien

Forschungsprojekt

ThoR – Roboter für die Inneninspektion von Rotorblättern von Windenergieanlagen

Rotorblätter von Windenergieanlagen unterliegen im Betrieb hohen mechanischen Belastungen. Materialfehler wie Fehlverklebungen und Risse können schwerwiegende Folgen haben – bis hin zum Totalschaden der gesamten Anlage. Daher müssen sie sorgfältig von innen und von außen geprüft werden. Eine Prüfung von innen ist bisher nur eingeschränkt möglich, da nicht alle Blattbereiche zugänglich und nicht alle Fehler optisch sichtbar sind. In Zusammenarbeit mit mehreren Forschungs- und Industriepartnern entwickeln wir daher einen Thermographie-Roboter für die Innenprüfung. Damit tragen wir dazu bei, dass Windenergieanlagen dauerhaft sicher sind und wirtschaftlich betrieben werden können.

Gerät mit Raupenantrieb, Kameras und Heizstrahler vor weißem Hintergrund.
© IAI GmbH
Dieser Roboter macht Schadstellen im Inneren von Windenergie-Rotorblättern mithilfe einer Thermographie-Kamera sichtbar. Der Heizstrahler sitzt ganz vorne (hier im Bild: rechts), die Thermographie-Kamera hinten (hier im Bild: links).

Rotorblätter von Windenergieanlagen entwickeln sich zu immer komplexeren Bauteilen. Dies liegt nicht nur an den stetig wachsenden Rotordurchmessern. Auch die Flügel-Geometrien werden zunehmend komplizierter, um bessere aerodynamische Eigenschaften und geringere Schallabstrahlung zu erreichen. Bei der Herstellung kommen verschiedenste Materialien zum Einsatz, unter anderem glas‐ und kohlefaserverstärkter Kunststoff (GFK/CFK) mit Polyester‐ oder Epoxidharzen als Basis, Holz, geschäumte Kunststoffe und Metall. Die Erfahrung zeigt, dass in der Vergangenheit bei der Rotorblattfertigung nicht ausreichend auf die Qualitätssicherung geachtet wurde. Dadurch kommt es immer wieder zum Versagen des Materials, welches beispielsweise zu Rissen im Gurt oder Steg führt. Dies endet im schlimmsten Fall im Totalversagen des Rotorblattes, dem sogenannten Blattabwurf. Dies ist nicht nur fatal für den Betreiber der Anlage, der die Blätter austauschen muss, was zu langen Stillstandzeiten führt. Es schadet auch dem Image der Windenergie, da umherfliegende Blattstücke für Menschen und Tiere sehr gefährlich sein können. Außerdem könnten sie Gebäude und andere Sachwerte beschädigen.

Foto einer Windenergieanlage (»Windrad«) auf einer grünen Wiese vor blauem Himmel.
© Fraunhofer WKI | Peter Meinlschmidt
Die robotergestützte Inneninspektion von Rotorblätter trägt dazu bei, dass Windenergieanlagen dauerhaft sicher sind und wirtschaftlich betrieben werden können.

Die Produzenten von Rotorblättern haben inzwischen zum Großteil darauf reagiert und bemühen sich um eine bessere Qualitätskontrolle innerhalb der Fertigung. Hier hat das Fraunhofer WKI bereits ein System entwickelt, bei dem mittels aktiver Wärmeflussthermographie Rotorblätter auf Produktionsfehler hin untersucht werden können. Auf diese Weise sind auch Fehler erkennbar, die einige Zentimeter unter der Oberfläche liegen und von außen nicht sichtbar sind. Dieses Verfahren hat sich bewährt und wird in der Industrie angewandt. Allerdings können nur oberflächennahe Fehler detektiert werden. Für eine Detektion von Fehlstellen auf der Innenseite des Rotorblattes muss die Thermographie auch von innen durchführbar sein.

Unsere Projektpartner an der Hochschule Harz und am Institut für Automatisierung und Informatik in Wernigerode entwickeln einen fahrbaren Roboter, der in den inneren Hohlraum des Rotorblatts eingesetzt wird und das Rotorblatt dann ferngesteuert der Länge nach abfährt. Am Fraunhofer WKI entwickeln wir dazu ein passendes Thermographie-Verfahren. Mithilfe eines Infrarot-Heizstrahlers wird das Rotorblatt während der Fahrt erwärmt. Schadstellen wie Risse, Verklebungsfehler oder Lufteinschlüsse haben eine abweichende Wärmeleitfähigkeit und verändern dadurch den Wärmefluss. Die im Roboter verbaute Thermographie-Kamera zeichnet diese Veränderungen im Wärmefluss auf und wandelt sie in Bilder um. Mit einer ebenfalls am Fraunhofer WKI entwickelten Spezialsoftware können die Bilder am Computer betrachtet und optimiert werden (z. B. Kontrastverbesserung, Rauschunterdrückung, Hintergrundabzug). Auch die Kameraeinstellungen lassen sich über die Software anpassen. Für die Navigation und die bessere Beurteilung von oberflächlich sichtbaren Materialfehlern zeichnet der Roboter außerdem hochauflösende optische Fotos auf.

Der Roboter soll sowohl bei liegenden als auch bei bereits montierten Rotorblättern eingesetzt werden. Somit könnte er die Qualitätssicherung im Produktionsprozess und während des Betriebs optimal ergänzen.

Mehr Informationen:

Das Bild zeigt Aufnahmen von acht Proben, jeweils zwei pro Reihe. Die beiden Aufnahmen der obersten Reihe sind grünlich, die frei folgenden Reihen sind grauschattiert. Alle Aufnahmen zeigen bis zu sechs punktförmige Gebilde unterschiedlicher Größe an jeweils derselben Stelle. Die Erkennbarkeit und Darstellung variiert von Aufnahme zu Aufnahme.
© Fraunhofer WKI | Jochen Aderhold
Proben aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit künstlichen Fehlern im Foto (oberste Bildreihe) und im Thermographie-Bild unter unterschiedlichen Messbedingungen (untere Bildreihen).
Screenshot der Software des Fraunhofer WKI.
© Fraunhofer WKI | Jochen Aderhold
Mit der am Fraunhofer WKI entwickelten Software lassen sich die Thermographie-Bilder des Roboters betrachten und optimieren sowie Kamera-Einstellungen anpassen.
Länglicher Heizstrahler im eingeschalteten Zustand; der Heizstab leuchtet rot-weiß.
© IAI GmbH
Infrarot-Heizstrahler für die aktive Wärmefluss-Thermographie.

Ergebnisse

Gemeinsam mit unseren Projektpartnern ist es uns gelungen, den Thermographie-Roboter zu entwickeln. Ein Anschlussprojekt für eine Weiterentwicklung ist bereits geplant.

Projektpartner

  • Zentrum für Produkt-, Verfahrens- und Prozessinnovationen GmbH
  • Hochschule Harz, Fachbereich für Automatisierung und Informatik
  • IAI Institut für Automatisierung und Informatik GmbH
  • itv gesellschaft für industrie-tv mbH
  • a3Ds GmbH, automated 3D scanning

Förderung

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Förderkennzeichen: 0324137B

Projektträger: Projektträger Jülich (PTJ)

Laufzeit: 1.3.2017 bis 30.6.2020