Verbesserung der Speichereffizienz von CFK Drucktanks mit FPP

Die Anzahl der mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge wächst seit Jahren beachtlich. Die Elektrifizierung des Antriebs, verbunden mit aktuellen Beschränkungen der Batterietechnologie, begünstigt zudem diverse Anwendungen für den Brennstoffzellen-Antrieb (FCEV – fuel cell electric vehicle), insbesondere im Bereich des Langstreckentransports für LKW, Busse und Züge. Eine der Herausforderungen für FCEV besteht jedoch darin, Wasserstoff (H2) effizient und sicher im Fahrzeug zu speichern.

Wasserstoff für FCEV wird typischerweise in Komposit-Druckbehältern des Typs IV gespeichert. Der hohe Betriebsdruck erfordert eine erhebliche Menge an Kohlefasern bei der Herstellung der Behälter. Bei einem Nenndruck von bis zu 700 bar verbraucht ein Behälter bis zu 10 kg Kohlenstofffasern für jeweils 1 kg gespeicherten Wasserstoff. Die Kohlefasern eines Hochdruckbehälters machen typischerweise mehr als 50% der Gesamtkosten eines solchen Speichersystems aus.

Wir bei Cevotec haben eine industrielle Lösung entwickelt, um die Speichereffizienz zu verbessern und die Menge an Kohlenstofffasern bei gleichwertigen mechanischen Eigenschaften um bis zu 15 % zu reduzieren.

15 % Gewichts- und Kosteneinsparung, 20 % Verbesserung der Zykluszeit

Die Verstärkung des Kuppelbereichs eines Tanks mit Fiber Patch Placement (FPP) führt zu Material- und Kosteneinsparungen von 15% – und verkürzt die Gesamtfertigungszeit um 20%. Durch die Verwendung der FPP-Kuppelverstärkung benötigen die Hersteller beim anschließenden Filament-Wickelprozess, der nach wie vor der wichtigste Produktionsprozess für diese Tanks ist, weniger Material.

Die Lösung von Cevotec ist das Aufbringen von Kohlefaserpatches in den Kuppelbereichen, welche die hochwinkligen Helixlagen (HAHL) in einem typischen Filamentwickelprogramm ersetzen. Da die Patches genau den Dombereich abdecken und sich – im Gegensatz zu HAHL-Lagen – nicht über den zylindrischen Teil des Behälters erstrecken, werden Material und Gewicht des Behälters sowie die benötigte Fertigungszeit an der Filament-Wickelanlage reduziert.

Aufgrund des signifikanten Anteils der Kohlefasern an den Gesamtkosten des Tanks ergibt sich aus den erzielbaren Materialeinsparungen ein sehr positives Geschäftsmodell für die Hersteller. Typischerweise amortisieren sich die notwendigen Vorabinvestitionen bereits im ersten Jahr der Serienproduktion vollständig.

Ergebnisse & Vorteile

15% weniger Gewicht und Kosten

20% kürzere Produktionszeit

<12 Monate Amortisationszeit

Wie es funktioniert

In einem ersten Schritt platzieren Cevotecs SAMBA FPP Systeme die verstärkenden Faserpatches im Kuppelbereich direkt auf dem Liner. Dann wird der gepatchte Liner in den Filament-Wickelprozess überführt, der jetzt bei der Fertigstellung des Tanks weniger Material und Produktionszeit benötigt.

Liner + Verstärkungs-Faserpatches

  • Standard-Liner werden mit dem SAMBA Produktionssystem von Cevotec verstärkt – direkt auf dem Liner, vollautomatisch, qualitätskontrolliert
  • Einfache Integration in die industrielle Fertigungslinie; keine zusätzliche Nachbearbeitung; automatisiertes Liner-Handling verfügbar

Verstärkter Liner + Filament-Wicklung

  • Der verstärkte Liner wird in das Filament-Wickelverfahren überführt
  • Der Wickelprozess ist so eingestellt, dass die hochwinkligen Helixlagen weggelassen werden, dadurch verbraucht er weniger Material und ist schneller
  • Der schnellere Wickelprozess erhöht die Gesamtkapazität der Fertigungslinie, was den ROI und die Produktionswirtschaftlichkeit weiter verbessert

Videodokumentation der Produktion

SAMBA Produktionssysteme

Cevotec hat ein FPP-Produktionssystem konzipiert, das auf die spezifischen Anforderungen der Verstärkung von Verbundtanks ausgerichtet ist. Der flexible Anlage kann eine Vielzahl von Tankgrößen aufnehmen. Zwei Roboter bringen gleichzeitig Patches auf die Kuppelbereiche der Drucktanks auf.

  • 12 Roboterachsen, 2 zusätzliche x-Achsen zur Längenvariation
  •  Sensorgesteuerter Fertigungsprozess
  • Kompatibel mit einer Vielzahl von Fasermaterialien
  • Flexible, automatisierte Offline-Programmierung mit ARTIST STUDIO Software
  • Fertigungsversuche im Cevotec Technikum verfügbar

ARTIST STUDIO Software

ARTIST STUDIO ist die speziell auf die Fiber Patch Placement Technologie abgestimmte Software-Suite. Sie ermöglicht einen vollständig digitalen Prozessablauf und unterstützt Ingenieure bei der Erstellung von Patch-Laminaten durch technologiespezifische Lay-up-Funktionen. Das integrierte CAM-Modul programmiert die Roboter des SAMBA-Systems vollautomatisch, basierend auf dem entworfenen Laminat und einem digitalen Zwilling des Produktionssystems.

Ihr Start in die FPP-Technologie

Umfasst Machbarkeits-, Stückkosten- und Zykluszeitanalyse, Bewertung der Vorteile und ROI-Schätzung. Dieser Service ist für Sie kostenfrei.

>> Wie stark profitiert Ihre Anwendung von FPP?

Virtuelle Studien, Anwendungs- und Demonstratorentwicklung, Individualisierung der Produktionssysteme und weitere Möglichkeiten.

>> Wie entwickeln und testen Sie Ihre FPP-Anwendung am besten?

Umfasst angepasste SAMBA Lay-up Systeme, ARTIST STUDIO Software, maßgeschneiderte Greifer, Kontrollsysteme und mehr.

>> Welche Systemkonfiguration ist die beste für Ihre Anwendung?

Testen Sie Ihre Ideen & realisieren Sie Ihre Vision

Cevotec betreibt in der Nähe von München ein FPP-Kompetenzzentrum zur Entwicklung von automatisierten Legeprozessen für Composite-Strukturen. Wir bieten die Entwicklung von Laminaten und Prototypen sowie die Herstellung von Prototypen und Demonstratoren an. Dies ermöglicht Herstellern, ihre Anwendung in einem risikofreien Projektumfeld zu erproben und zu validieren.

Downloads

Kurz-Intro CFK Drucktank Verstärkung

Videodokumentation der Produktion

Cevotec Intro Präsentation

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