Hocheffiziente Druckbehälterherstellung

Roving- & Tapeverarbeitung10News25

Getrieben durch die aktuellen politischen und gesellschaftlichen Entwicklungen hinsichtlich Klimawandel steigt die Notwendigkeit der Reduzierung von klimaschädlichen Schadstoffen – wie CO/CO2 – merklich an. Einen wichtigen Beitrag zur Senkung dieser Treibhausgase können Wasserstoffspeicher in Verbindung mit elektrifizierten Fahrzeugen leisten. Durch die wesentlich geringere (volumenbezogene) Energiedichte von Wasserstoff im Vergleich zu Benzin bzw. Diesel muss die Gasspeicherung unter hohen Drücken von bis zu 700 bar erfolgen. Diese auf Innendruck belastete Hochdruck-Behälter sind ein klassisches Einsatzgebiet für Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV). Es sind Gewichtseinsparungen – im Vergleich zu Stahlbehältern (dem sogenannten Typ-I Behälter) – von bis zu 70 % möglich.

Effiziente Herstellverfahren für Druckbehältersysteme sind der wesentliche Faktor für die Verwendung von Erdgas oder Wasserstoff für die Antriebstechnologie von Kraftfahrzeugen. Gerade die Wasserstofftechnologie gewinnt zunehmend an Bedeutung. Stand der Technik sind heute sogenannte Behälter vom Typ IV (Abbildung 1), bei dem die Wickeltechnologie zum Einsatz kommt. Um geringere Zykluszeiten für das Bewickeln von Behältern zu erreichen, gibt es verschiedene Ansätze, die am Institut für Verbundwerkstoffe mitentwickelt wurden. So kann z.B. das imprägnierte Fasermaterial an mehreren Stellen am Umfang zugeführt werden, um den Durchsatz erheblich zu erhöhen. Die am IVW entwickelte Ringwickeltechnologie (Abbildung 2), wurde bereits mehrfach mit Innovationspreisen ausgezeichnet und über die letzten Jahrzehnte weiter optimiert.

Das am IVW entwickelte neue Konzept einer „Siphon-Imprägniereinheit“ hat eine geschlossene Imprägnierkammer, in der die notwendige Menge an Harz exakt dosiert durch eine Mischeinheit zugeführt wird. Da das Harz-Härter-Gemisch erst kurz vor dem Siphon entsteht, ist die Topfzeit des Harzes kein kritisches Problem mehr. Zudem wird der Reinigungsaufwand im Vergleich zur Verwendung von konventionellen Harzbädern erheblich reduziert. Die Siphon-Imprägnierung kann allerdings nicht nur als Komponente des neuen Ringwickelkopfs, sondern auch im Einzelbetrieb für beispielsweise schnellhärtende, funktionalisierte oder prozesskritische Harze eingesetzt werden. Diese innovative Imprägniertechnologie wurde ebenfalls sukzessive für den Einsatz in der Serienproduktion weiterentwickelt.

Der derzeit am IVW installierte Ringwickelkopf ist mit bis zu 12 am Umfang verteilten Fadenablegern mit integrierten Imprägniereinheiten ausgestattet. Mit dieser Technologie können 48 einzelne Rovings gleichzeitig verarbeitet werden, was fast einer Verfünffachung der Ablegerate, im Vergleich zu einer konventionellen Wickelanlage mit max. 10 Rovings, entspricht.

Als weiterer Ansatz zur Steigerung der Prozessgeschwindigkeit bei der Herstellung von Typ IV-Tanks können sogenannte TowPregs eingesetzt werden. Diese Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass der Roving bereits vollständig mit Harz getränkt aber das Harz „eingefroren“ ist; somit entstehen auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten keine Verunreinigungen durch flüssiges Harz (Tropfen durch Übersättigung oder Spritzen durch Zentrifugalkräfte). Dadurch kann die Wickelgeschwindigkeit im Vergleich zur Flüssigharzimprägnierung um den Faktor 3 gesteigert werden. Nachteilig sind die verhältnismäßig hohen Kosten in Verbindung mit der Verwendung von TowPregs. Zum einen ist der zusätzliche abgekoppelte Materialerstellungsprozess ein Mehraufwand, zum anderen benötigen die meisten TowPreg-Materialien eine Kühlkette.

Deshalb hat das IVW in dem Forschungsprojekt „Speedpreg“ in den letzten zwei Jahren - zusammen mit den Partnern Jakob Weiß und Söhne GmbH und dem Lehrstuhl für Polymerchemie der Universität Bayreuth - ein neuartiges „Direct-TowPreg-Wickelverfahren“ entwickelt (Abbildung 3). Dabei werden die trockenen Fasern über eine neuentwickelte Imprägniereinheit mit einem speziell entwickelten UV-reaktiven Harz imprägniert. Das Harz wird durch die Aktivierung seiner UV-reaktiven Anteile „eingefroren“. Dieser Anteil ist gerade so groß, dass die imprägnierten Rovings sich wie TowPregs verarbeiten lassen.

Durch die dargestellten Entwicklungen – gepaart mit 30 Jahren Erfahrung in der Wickeltechnik – hat das IVW eine Vorreiterstellung auf dem Gebiet der hoch-effizienten Druckbehälterfertigung inne.

Das Projekt „Speedpreg – Entwicklung eines High-Speed-Wickelverfahrens“ wird im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie auf der Grundlage einer Entscheidung des Deutschen Bundestages unter dem Förderkennzeichen ZF4052320AT7 gefördert.

Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Jens Schlimbach
Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Press- & Fügetechnologien
Erwin-Schrödinger-Straße 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 631 2017-312
E-Mail: jens.schlimbach@ivw.uni-kl.de

Abbildung 1: TYP IV Druckbehälter [Quelle/Source: Toyota Motor Corporation]

Abbildung 2: Prototyp der am IVW entwickelten Ringwickeltechnologie (Quell/Source: IVW)

Abbildung 3: Schematische Darstellung des entwickelten Direct-Towpreg-Wickelverfahrens