Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen sind der zentrale Energiespeicher für wasserstoffbetriebene Mobilität. Die zylindrischen Tanks speichern den Wasserstoff, der in LKWs, Bussen, Zügen und PKWs mit Brennstoffzelle verwendet wird, und halten dabei Betriebsdrücke von bis zu 700 bar aus. Der Hauptkostentreiber der Tanks sind die Carbonfasern, die über 50% der Gesamtkosten ausmachen. Automatisierungs-Spezialist Cevotec hat eine industrielle Lösung entwickelt, die in Kombination mit dem etablierten Filament-Wickelverfahren die Materialeffizienz verbessert und das Gewicht eines Tanks um 15% reduziert – bei gleichwertigen mechanischen Eigenschaften.

Schlüsselelement der Lösung ist das automatisierte, präzise Aufbringen von Carbonfaser-Kuppelverstärkungen direkt auf die Liner mit Hilfe der Fiber Patch Placement (FPP) Technologie von Cevotec. Dabei werden maßgeschneiderte Patches aus Fasermaterial auf der Kuppel bis zum Übergang in den zylindrischen Bereich aufgebracht, um den Tank dort zielgerichtet lokal zu verstärken.

Diese Kuppelverstärkungen ersetzen die hochwinkligen Helixlagen (HAHL) des Filament-Wickelverfahrens. Die primäre Aufgabe der HAHL ist es, den kritischen Bereich des Tankäquators zu verstärken. Die Kuppelverstärkungen übernehmen diese Funktion der HAHL. Da sie sich aber nicht über den zylindrischen Teil des Tanks erstrecken, sparen sie im zylindrischen Bereich des Tanks in erheblichem Maße Material, das ansonsten nur gering zu den mechanischen Eigenschaften beiträgt. Außerdem ermöglichen die Kuppelverstärkungen einen gleichmäßigeren Steifigkeitsübergang zwischen dem Zylinder- und dem Kuppelsektor, was zu einer weiteren Optimierung des Laminataufbaus beiträgt.

Um die Kombination von Filament-Wickelverfahren und FPP-Technologie optimal zu unterstützen, hat Cevotec mit SAMBA PV eine automatisierte Faserlege-Anlage konzipiert, welche speziell auf die Anforderungen von Druckbehältern zugeschnitten ist. Das Produktionssystem legt das Fasermaterial in einem unabhängigen Prozess ab, der parallel zum Wickelverfahren stattfindet, was die Gesamtzykluszeit eines Tanks verkürzt.

Das Design der Kuppelverstärkungen sowie die Programmierung der Produktionsroboter können mit der Fiber Patch Placement spezifischen CAD-CAM-Software ARTIST STUDIO in einem integrierten, digitalen Prozess auf verschiedene Druckbehälter angepasst werden. In der Produktion bringt SAMBA PV zunächst die Kuppelverstärkungen auf den Liner auf. Danach wird der verstärkte Liner in einen angepassten Filament-Wickelprozess ohne die HAHL Lagen überführt. Insgesamt wird ca. 15% weniger Material benötigt, um ein gleichwertiges Belastungsprofil zu erreichen. Das bedeutet auch 15% weniger Gewicht des Tanks und erhöht effektiv die Kapazitäten bestehender Wickelstationen um bis zu 20%.

Die Summe der Vorteile, die sich aus der Kuppelverstärkung ergeben, ermöglicht es Herstellern, sowohl die Produktionsrate von Composites-Drucktanks zu steigern als auch die Kosten zu reduzieren. Der notwendige zusätzliche Aufwand in die Verstärkungslösung amortisiert sich damit bereits im ersten Produktionsjahr und stellt damit eine sehr attraktive Investitionsmöglichkeit dar.

Über Cevotec:

Der Münchner Automations-Spezialist Cevotec bietet mit SAMBA und ARTIST STUDIO eines der modernsten Faserverbund-Produktionssysteme weltweit an. An der Schnittstelle zwischen Faserverbund, Maschinenbau und Software entwickelt das Unternehmen Produktionsanlagen und Software auf Basis der Fiber Patch Placement (FPP) Technologie. Die besonders für die automatisierte Faserablage bei komplexen 3D Geometrien geeigneten Anlagen verarbeiten neben Carbonfasern auch Glasfasern, Klebefilme sowie weitere technische Fasern und sind damit für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. Die Flexibilität wird insbesondere von Kunden aus der Luftfahrt und Medizintechnik sehr geschätzt, die 20%-60% an Kosten und Zeit sparen beim Wechsel von manuellen Prozessen auf FPP.