Das technologische Ziel des im August gestarteten Forschungsvorhabens „David“ ist, Wasserstoffdruckbehälter für das Transportwesen so leicht und ressourcenschonend wie möglich auszulegen. Dazu arbeiten die Forschenden an einer realistische Beschreibung der Behälterwerkstoffe und des Gesamtsystems während der Herstellung und des Produktlebenszyklusses. Erreicht werden soll dies durch eine durchgängige Digitalisierung sowie anwendungsspezifische Charakterisierung und Modellierung.
Der Knackpunkt sind die Wechselwirkungen innerhalb de Maschine-Prozess-Material-Morphologie-Werkstoffeigenschaftsbeziehung. Diese werden experimentell und simulativ analysiert, mit geeigneten Methoden modelliert und für Optimierungen in der Simulation in Form eines digitalen Zwillings der gefertigten Druckbehälter nutzbar gemacht. Dieses Verständnis aufzubauen und in virtuellen Methoden abzubilden, ist ein zentrales Ziel, um den Werkstoffausnutzungsgrad deutlich zu erhöhen und somit CO2-Einsparung durch Ressourceneffizienz sicherzustellen.
Denn Leichtbau-Druckbehälter sind wesentlicher Befähiger zum Einsatz von CO2-neutralen, auf Wasserstoff basierenden Antrieben im Transportwesen: Wasserstoff ist bei schweren Fahrzeugen wie LKW, Bussen, Bahn und Marine heute die bevorzugte Lösung als Alternative zu klassischen Treibstoffen. Doch der bei Raumtemperatur gasförmige Wasserstoff muss bei hohen Drücken (350-700 barü) oder tiefen Temperaturen gespeichert werden. Dies ist für mobile Anwendungen aufgrund der notwendigen Gewichtsminimierung nur durch den Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) als Werkstoff attraktiv umsetzbar.
Ende August startete das Forschungsprojekt „Digitale Auslegungsmethoden von inline-überwachten Druckbehältern“ (DAVID), das im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit einer Förderung von 6,3 Mio. € unterstützt wird.
Das Projekt DAVID steht unter Konsortialführerschaft des IKV und beteiligt insgesamt zehn Partnern aus der Industrie und Forschung. Initiiert wurde es als Nachfolgeprojekt von DELFIN. Zentrales Ziel ist eine CO2-Einsparung von 21 Prozent CO2-eq je Wasserstofftank zu erreichen. Dies soll durch neue durchgängige digitale Auslegungsmethoden, inline-Qualitätssicherungsmaßnahmen und den Einsatz neuer angepasster Werkstoffkompositionen und Verarbeitungstechnologien erreicht werden.
Projektpartner sind NPROXX Jülich, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Form+Test Seidner&Co., Elkamet Kunststofftechnik, Isatec, Westlake Epoxy, Forward Engineering, Teijin Carbon Europe und Envalior.
Traditionell werden die dickwandigen Behälterstrukturen aus duroplastischen Systemen im Nasswickelverfahren hergestellt. Der Laminataufbau der Faserverbundwicklung wird maßgeblich von den Grenzen der Faserbandablagemöglichkeit bestimmt. Eine Vergleichmäßigung der lokalen Beanspruchung im Laminat und damit eine optimale Materialausnutzung ist heute noch nicht erreicht, was zu einer Überdimensionierung und damit erhöhtem Werkstoffeinsatz führt. Des Weiteren sind die effektiven Eigenschaften des Werkstoffs, die Alterung sowie die Lasten stochastischer Natur, was aktuell ebenfalls zu einer signifikanten Überdimensionierung führt. Diese Überdimensionierung lässt sich jedoch reduzieren, indem eine inlinefähige Prozessüberwachung zur Erkennung festigkeitsreduzierender Prozessabweichungen entwickelt und eingesetzt wird.
Weiterhin sollen alternative Werkstoffe wie vorimprägnierte Faserbänder, sog. Towpregs verbessert und eingesetzt werden, was ein hohes Werkstoffeinsparpotential verspricht. Besonders in Bezug auf die eingesetzten Werkstoffe ist eine ausgeprägte Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften vom hydrostatischen Druck, der Temperatur und der physikalischen Belastung wie dem Medieneinfluss erkennbar, was sich weiterhin auf das Schädigungsverhalten auswirkt. Zu diesem Zweck wird im Forschungsvorhaben eine Prüfanlage entwickelt, mit der Werkstoffprüfung unter zyklischen, dynamischen triaxialen Belastungen mit Wasserstoff als Druckmedium möglich sind.
Bild oben: Die Teilnehmer des Kickoff-Meetings zu DAVID am IKV in Aachen (Quelle: IKV)
Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung
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