An Overview of Composite WindAn Overview of Composite Wind Turbine Blade Manufacturing

by

Daniel Walczyk

Workshop on Next‐Generation Wind Powerp

Wednesday, May 12, 2010

Rensselaer Polytechnic InstituteRensselaer Polytechnic Institute

References sites used in preparing hthis presentation

htt // t li / ti l /200810f 2 ht l• http://www.ptonline.com/articles/200810fa2.html

• http://www.iawind.org/presentations/nolet.pdf

OutlineOutline

• Composite Use in Wind TurbinesCo pos te Use d u b es• Turbine Blade Construction• Advanced CompositesAdvanced Composites• Blade Manufacturing

– Resin Infusion of Compositeses us o o Co pos tes– Assembly– Post Processing– Future Manufacturing Processes

• Summary

Where are Composites Used in d b ?Wind Turbines?

• BladesBlades

• Nacelle

• HubHub

http://blog.ross‐mcdonald.com/images/WindTurbine.jpg

Turbine Blade Construction• Wind turbine blades are subjected to static and dynamic j ylift, drag and inertial loads over a wide range of temperatures and other severe environmental conditions (e.g., UV, rain, hail, bird strikes) during a typical 20bird strikes) during a typical 20‐year service life. 

• Blades must be possess• Blades must be possess– Low weight and rotational inertia

– High rigidityHigh rigidity

– Resistance to fatigue and wearhttp://www.barmoor‐ecology.co.uk/raptor.html

• These requirements scale with size of the blades.  Note: A standard 35‐ to 40‐meter blade for a 1.5‐MW turbine                           weighs 6 to 7 tonsweighs 6 to 7 tons.

A t i l bl d t ti i t f t• A typical blade construction consists of outer skins supported by a main spar.

• Complete blade constructionComplete blade construction

Advanced Composites Used in Wind bTurbines 

• Because of the unique requirements for large scale• Because of the unique requirements for large‐scale wind turbine blades, advanced composites are the materials of choice.

• Composite fibers used as reinforcements in blade construction:– Traditional E‐glass fiber (70‐75% by weight) bonded with epoxy or unsaturated polyester resin (most common)(most common)

– Carbon fiber bonded with same resins (less common, although provides high stiffness and less weight for longer turbine blades)

• Composite resins used in blade construction:p– Epoxy was preferred matrix as blades grew longer since it offers better mechanical performance –particularly tensile and flexural strengthparticularly tensile and flexural strength

– Polyester is easier to process (needs no post‐curing) and is less expensiveVi l t (li it d b t i )– Vinyl ester (limited use, but growing)

• Core materials used primarily for large area unsupported stability in lead/trailing edge panels and pp y / g g pshear webs– Balsa (low cost, good shear properties, higher weight)weight)

– Foam cores (PVC, Urethane, PET)– Engineered core materials (Webcore TYCOR, g ( ,NexCore)

Primer on Advanced Composite Parts &Materials& Materials

• A composite material consists of two or moreA composite material consists of two or more materials: a reinforcing agent (fiber) and a compatible resin binder (matrix) to obtain specific characteristics and properties.

• Polymer Matrix Composites, also called ‘advanced composites,’ consist of a polymer resin matrix that encapsulates high‐strength, high‐modulus fibers (usually continuous)(usually continuous).

From Rufe, P.D. (Editor), Fundamentals of Manufacturing, 2nd Ed., Society of Manufacturing Engineers, 2002.

Fibers• Advanced composites use very stiff and strong, yet lightweight fibers of glass, carbon/graphite, boron, Kevlar® (aramid), other organic materials, and hybrid fiber mixes.

• Common forms of reinforcing fibers are shown below: 

• The strengthening effect of the fiber reinforcementsThe strengthening effect of the fiber reinforcements in advanced composites depend on the:

– Percentage of fibers (fiber volume fraction)g ( )

– Type of fibers and

– Orientation with respect to the direction of theOrientation with respect to the direction of the loads

– Bond strength between fiber and matrix.g

Polymer Resin Matrix

• The two main classes of polymer resin matrices are thermoset and thermoplastic.p

– Thermoset resins include epoxy, phenolic, bismaleimide, and polyimide., p y

– Thermoplastic resins include nylon (polyamide), polysulfone, polyphenylene sulfide, and polyetheretherketone (PEEK).

• The matrix holds the fibers in place                               and under an applied load, deforms                                     and distributes the stress to the fibers.

Advanced Composite Categoriesp g

• Composites can be divided into laminates and d i hsandwiches.

– Laminates – layers (plies) of composite materials b d d t thbonded together

Sandwiches – multiple‐layer composite structure consisting of a low‐density core between thin faces (skins) of composite materials.

Wind Turbine Blade Manufacturingg

• Barriers to entry for wind blade manufacturing are formidable:

– Physical scale of the parts

– Need for competitive technology and manufacturing know‐how

– Good supply base

– Global presence

– Heavy investment.

• Of the 12 global wind turbine suppliers, the top fourOf the 12 global wind turbine suppliers, the top four hold about 3/4th of the market

– Denmark’s Vestas Wind                                          Systems A/S

– GE Energy

– Spain’s Gamesa

– Germany’s Enerconyhttp://www.compositesworld.com/articles/wind‐

turbine‐blades‐big‐and‐getting‐bigger

• Other than GE which outsources, the others make their blades in‐house.

Resin Infusion Methods for Bl d Ski d SBlade Skins and Spars

• Most blade manufacturers use resin infusion methods to make blade skins including:including:– Resin transfer moldingSCRIMP (Seeman’s– SCRIMP (Seeman sComposite Resin Infusion Molding Process)

– Resin film infusion

• Laying up glass mat for• Laying up glass mat for resin infusion of a wind turbine blade. The trend is to greater automation in blade manufacturing.

• ER heating of epoxy/glass blade skin

Resin Infusion – Resin Transfer ld ( )Molding (RTM)

• Process: Fabrics are laid up as a dry stack of materials. These fabrics are sometimes pre‐pressed to the mould shape, and held together by a binder. These 'preforms' 

th il l id i t th ld t l A dare then more easily laid into the mold tool. A second mold tool is then clamped over the first, and resin is injected into the cavity. Vacuum can also be applied toinjected into the cavity. Vacuum can also be applied to the mould cavity to assist resin in being drawn into the fabrics. This is known as Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM). Once all the fabric is wet out, the resin inlets are closed, and the laminate is allowed to cure Both injection and cure can take placeallowed to cure. Both injection and cure can take place at either ambient or elevated temperature.

M t i l O ti• Materials Options: – Resins: Generally epoxy, polyester, vinylester and phenolic, although high temperature resins such as bismaleimidesalthough high temperature resins such as bismaleimidescan be used at elevated process temperatures. 

– Fibers: Any. Stitched materials work well in this process since the gaps allow rapid resin transport. Some specially developed fabrics can assist with resin flow.

– Cores: Not honeycombs since cells would fill with resinCores: Not honeycombs, since cells would fill with resin, and pressures involved can crush some foams.

• Main Advantages: – High fiber volume laminates can be obtained withHigh fiber volume laminates can be obtained with very low void contents. 

– Good health and safety, and environmental control due to enclosure of resindue to enclosure of resin. 

– Possible labor reductions – Both sides of the component have a molded surface.

• Main Disadvantages: – Matched tooling is expensive, and heavy in order to withstand pressureswithstand pressures. 

– Generally limited to smaller components. – Unimpregnated areas can occur resulting in very expensive scrap parts.

• Other Applications: Small complex aircraft and automotive components– Small complex aircraft and automotive components, train seats.

Resin Infusion – SCRIMP or RTM LiteResin Infusion  SCRIMP or RTM Lite

• Process: With SCRIMP or RTM Lite, fabrics are laid up pas a dry stack of materials in an open mold as in RTM.  The fiber stack is then covered with peel ply and a knitted type of non‐structural fabric. The whole dry stack is then vacuum bagged, and once bag leaks have been eliminated resin is allowed tobag leaks have been eliminated, resin is allowed to flow into the laminate. The resin distribution over the whole laminate is aided by resin flowing easily y g ythrough the non‐structural fabric, and wetting the fabric out from above.

• Materials Options: 

– Resins: Generally epoxy, polyester and vinylester.Resins: Generally epoxy, polyester and vinylester.

– Fibers: Any conventional fabrics. Stitched materials work well in this process since the gaps p g pallow rapid resin transport.

– Cores: Any except honeycombs.y p y

d• Main Advantages: 

– Same as RTM, except only one side of the t h ld d fi i hcomponent has a molded finish.

– Much lower tooling cost due to one half of the tool being a vacuum bag and less strength beingtool being a vacuum bag, and less strength being required in the main tool. 

Large components can be fabricated– Large components can be fabricated. 

– Standard wet lay‐up tools may be able to be modified for this processmodified for this process.

– Cored structures can be produced in one operation.operation.

M i Di d t• Main Disadvantages: – Relatively complex process to perform well. Resins m st be er lo in iscosit th s– Resins must be very low in viscosity, thus comprising mechanical properties. 

– Unimpregnated areas can occur resulting in veryUnimpregnated areas can occur resulting in very expensive scrap parts. 

– Some elements of this process are covered by patents (SCRIMP).

• Other Applications: – Semi‐production small yachts (see picture), train and truck body panels.

Resin Infusion – Resin Film Infusion

• Process: Dry fabrics are laid up interleaved with layers of semi solid resin film supplied on a releaselayers of semi‐solid resin film supplied on a release paper. The lay‐up is vacuum bagged to remove air through the dry fabrics, and then heated to allow thethrough the dry fabrics, and then heated to allow the resin to first melt and flow into the air‐free fabrics, and then after a certain time, to cure.

• Materials Options: p– Resins: Generally epoxy only. – Fibers: Any. C M l h h PVC f d i l– Cores: Most, although PVC foam needs special procedures due to the elevated temperatures involved in the process.

• Main Advantages: – High fiber volumes can be accurately achieved with low void contentslow void contents.

– Good health and safety and a clean lay‐up, like prepreg.Hi h i h i l ti d t lid t t f– High resin mechanical properties due to solid state of initial polymer material and elevated temperature cure.

ll l h h f h– Potentially lower cost than prepreg, with most of the advantages.

• Main Disadvantages: 

– Not widely proven outside the aerospace industry. 

– An oven and vacuum bagging system is required to cure the component as for prepreg although thecure the component as for prepreg, although the autoclave systems used by the aerospace industry are not always required. 

– Tooling needs to be able to withstand the process temperatures of the resin film ( which if using similar resin to those in low‐temperature curing prepregs, is typically 60‐100°C).

Core materials need to be able to withstand the– Core materials need to be able to withstand the process temperatures and pressures.

• Other Applications:Other Applications: 

– Aircraft radomes and submarine sonar domes.

Component Assembly

• Composite wind blades are usually molded in two

Component Assembly

Composite wind blades are usually molded in two halves and then bonded together with an epoxy adhesive.

Post ProcessingPost Processing• Sanding and finishing are labor‐intensive steps in wind blade manufacturing that can be reduced with gautomation or improved materials and processes.

• A wind blade is typically surfaced with either an in‐mold gel coat or an in mold primer followed bymold gel coat, or an in‐mold primer followed by postmold painting.

The Future of Blade Manufacturing

Open Molding – Prepreg Hand Lay‐Up + Vacuum Bagging + Curing

• Process: Prepreg is stored at cold temperatures, p g p ,keeping the catalyst largely latent until thawed out.  The resin is usually a near‐solid at ambient temperatures and so the prepregs have a lighttemperatures, and so the prepregs have a light sticky feel to them, such as that of adhesive tape. The prepregs are laid up by hand on a mold 

f b d d th h t d tsurface, vacuum bagged, and then heated to typically 120‐180°C. This allows the resin to initially reflow and eventually to cure. Additional y ypressure for the molding is usually provided by an autoclave (effectively a pressurized oven) which can apply up to 5 atmospheres to the laminatecan apply up to 5 atmospheres to the laminate.  Otherwise, a simple curing oven is used.

• Details of a vacuum bag layup for part without d i h i land with core material

• Consumables for vacuum bag layupR l ll l f d f l– Release agent – allows release of cured part from tool

– Peel ply (optional) – easily removed layer that allows free passage of volatiles and excess matrix

– Bleeder fabric (felt or glass fabric) – absorbs the excess matrix; can be sized to produce parts of known fiber volume.

– Release film – prevents further flow of matrix and can be slightly porous (series of holes) to allow passage of volatiles and air to breather layervolatiles and air to breather layer

– Breather fabric – provides means to apply uniform vacuum and remove air and volatiles from the whole layup Thickness increases with increasing autoclavelayup.  Thickness increases with increasing autoclave pressure.

– Vacuum bag/sealant tape – provides a sealed bag to form the vacuum bagform the vacuum bag

• Process Schematic for Autoclaving

• Process Schematic for Oven Curing

• Materials Options:• Materials Options:– Resins: Generally epoxy, polyester, phenolic and high temperature resins such as polyimides, cyanate esters and bismaleimides. 

– Fibers: Any. Used either direct from a creel or as any type of fabric. 

– Cores: Any, although special types of foam need to be used due to the elevated temperatures involved in the process.

• Main Advantages: – Resin/catalyst levels and the resin content in the fiber are accurately set by the materials manufacturer. High fiber volumes can be safely achieved.fiber volumes can be safely achieved. 

– The materials have excellent health and safety characteristics and are clean to work with.

– Fiber cost is minimized in unidirectional tapes since there is no secondary process to convert fiber into fabric prior to use.fabric prior to use. 

– Resin chemistry can be optimized for mechanical and thermal performance, with the high viscosity resins b i i bl d t th f t ibeing impregnable due to the manufacturing process. 

– The extended working times means that structurally optimized, complex lay‐ups can be readily achieved. p , p y p y

– Potential for automation and labor saving.

• Main Disadvantages: – Materials cost is higher for preimpregnated fabrics.A l ll i d h– Autoclaves are usually required to cure the component. These are expensive, slow to operate and limited in size.

– Tooling needs to be able to withstand the process temperatures and pressures involved 

– Core materials need to be able to withstand the process temperatures and pressures.

• Typical Applications: Ai ft t t l t ( i d t il– Aircraft structural components (e.g. wings and tail sections), race cars, sporting goods such as tennis racquets and skis.

Open Molding – Alterna‐tives to Hand Lay‐up

• Automated Tape Laying (ATL)Automated Tape Laying (ATL) equipment involves the use of multi‐axis robotic equipment with a custom built end effectorthat applies a single, wide, 

idi ti ll i f d litunidirectionally reinforced, slit prepreg tape to layup simple, gentle contours on a rigid toolgentle contours on a rigid tool or flat parts. 

http://www.automateddynamics.com/

Rapid Double Diaphragm Forming (RDDF) of Thermoset Composite Prepreg WorkpiecesThermoset Composite Prepreg Workpieces

Thermal Pressing (patent pending)

SummarySummary

• Composite Use in Wind TurbinesComposite Use in Wind Turbines

• Turbine Blade Construction

• Advanced CompositesAdvanced Composites

• Blade Manufacturing

Resin Infusion of Composites– Resin Infusion of Composites

– Assembly

Post Processing– Post Processing

– Future Manufacturing Processes

Questions?