Forschende aus den Bereichen Plasmatechnik und Oberflächen, Lacktechnik sowie Automatisierung und Produktionstechnik des Fraunhofer IFAM entwickelten im Projekt HYTANK gemeinsam mit Projektpartnern wegweisende, ressourceneffiziente Fertigungs- und Fügetechnologien für die Produktion von großformatigen, doppelwandigen Wasserstofftanks aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) – von geeigneten Oberflächenvorbehandlungen über funktionelle Barrierebeschichtungen bis zur automatisierten Fertigung im 1:1-Maßstab, inklusive Bearbeitung und klebtechnischer Montage. Ziel war es, Voraussetzungen für die zukünftige effiziente Produktion von leichten, dichten und unter kryogenen Bedingungen zuverlässigen Tankstrukturen beispielsweise für die Luftfahrt zu schaffen.
Flüssiger Wasserstoff gilt als eine vielversprechende Option für Luftfahrtantriebe von morgen. Die dafür erforderlichen Tanks müssen jedoch extremen Anforderungen standhalten: Sie sollen mit möglichst geringem Gewicht bei Temperaturen bis zu -253 °C dauerhaft dicht und strukturell belastbar bleiben sowie mechanischen und thermischen Belastungen widerstehen. CFK-Strukturen bieten hierfür grundsätzlich günstige Voraussetzungen, stellen jedoch hohe Anforderungen an Auslegung, Fertigung und Fügetechnik. Insbesondere kryogene Temperaturen, Druckbelastungen sowie die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe erfordern angepasste Konstruktions- und Prozesskonzepte.
Im Projekt HYTANK (Entwicklung von Beschichtungs-, Füge- und Montageprozessen zur Herstellung eines CFK-LH2-Tanks für das emissionsfreie Fliegen) adressierte das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM diese Herausforderungen mit einem integrierten Ansatz entlang wesentlicher Prozessschritte – von der vorbereitenden Funktionalisierung der Oberflächen über die Entwicklung von Barrierebeschichtungen für eine erhöhte Dichtheit und Vakuumstabilität bis zur automatisierten Bearbeitung und Montage der Tankstrukturen.
Oberflächenvorbehandlung: Haftung gezielt verbessern
Damit nachfolgende Schichtsysteme auf CFK-Strukturen zuverlässig funktionieren, ist eine reproduzierbar hohe Haftfestigkeit auf dem Substrat erforderlich. Ein Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Rahmen von HYTANK lag daher auf der geeigneten Vorbehandlung der Oberflächen. Ziel war ein kombinierter Vorbehandlungs- und Beschichtungsprozess, der die Barriereeigenschaften der CFK-Struktur verbessert und so das isolierende Vakuum zwischen Innen-und Außenhülle eines doppelwandigen Kryotanks dauerhaft stabilisiert. Im Fokus steht eine erhöhte Barrierewirkung gegenüber von außen eindringender Feuchtigkeit sowie Ausgasungsprodukten aus dem CFK. Für die zuverlässige Funktion der Barrierebeschichtung ist neben der eigentlichen Barrierewirkung eine sehr gute Haftung auf dem CFK-Untergrund erforderlich. Die Herausforderung dabei: Die CFK-Oberfläche weist herstellungsbedingt haftkritische Trennmittelrückstände auf, die entfernt oder gezielt modifiziert werden müssen, ohne die Matrix zu schädigen oder Fasern freizulegen.
Meilenstein in Richtung zukünftiger serieller Fertigung von leichten CFK-Wasserstofftanks für den Flugbetrieb – flexible, modulare, automatisierte Montageanlage (Bild: FFT Produktionssysteme / Fraunhofer IFAM)
Im Projekt wurden verschiedene Vorbehandlungsverfahren vergleichend untersucht, darunter Vakuumsaugstrahlen, Atmosphärendruck-Plasmabehandlung, VUV-Bestrahlung und Laserbehandlung. Drei dieser Prozessvarianten erwiesen sich als grundsätzlich geeignet. Welche Lösung im Einzelfall am besten passt, hängt jedoch stark von der konkreten Anwendung ab, beispielsweise von Bauteilgeometrie, Zugänglichkeit, verfügbarer Bearbeitungszeit, verwendetem CFK-Material sowie der Art und Menge der eingesetzten Trennmittel.
Besondere Potenziale zeigen trockene und berührungslose beziehungsweise materialschonende Verfahren. So erhöht die Atmosphärendruck-Plasmabehandlung die Benetzbarkeit und Haftung, ohne die Oberfläche stark thermisch oder mechanisch zu belasten. Bestrahlung durch Vakuum-UV-Licht (VUV-Licht) aktiviert die Oberfläche durch den Eintrag polarer funktioneller Gruppen, während Laserbehandlungen eine präzise Reinigung und Aktivierung ermöglichen.
Kontaktfreie Atmosphärendruckplasma-Vorbehandlung einer CFK-Oberfläche (Bild: Fraunhofer IFAM)
Die Untersuchungen machten deutlich, dass die Oberflächenvorbehandlung ein entscheiden der Hebel für die prozesssichere Funktion von nachfolgenden Beschichtungen auf CFK-Großstrukturen ist.
Barrierebeschichtung: Dichtheit erhöhen und Vakuum stabilisieren
Ein zweiter Schwerpunkt des Projekts richtete sich auf Beschichtungslösungen für kryogene Wasserstofftanks aus Leichtbaumaterialien. Das Fraunhofer IFAM entwickelte Barrierebeschichtungen, die die Gasdurchlässigkeit von polymerbasierten Tanksystemen reduzieren können. Sie sollen das Austreten von Wasserstoff verringern und zugleich das Eindringen atmosphärischer Gase, wie Sauerstoff, oder Feuchtigkeit begrenzen. Damit könnten sie einen doppelten Beitrag leisten: einerseits zur Erhöhung der Betriebssicherheit des Tanksystems und andererseits unterstützend zur Aufrechterhaltung des wärmeisolierenden Vakuums in doppelwandigen Tankstrukturen.
Die entwickelten Beschichtungssysteme basieren auf polymeren Bindemitteln mit integrierten Barrierepigmenten. Durch die gezielte Gestaltung der Schichtstruktur wird der Diffusionsweg für Gasmoleküle verlängert, wodurch sich die Permeation reduzieren lässt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ansätze besteht darin, dass sie sich grundsätzlich mit etablierten Lackierverfahren auch auf komplexe Geometrien applizieren lassen und somit eine Übertragbarkeit in industrielle Prozesse denkbar ist.
Das Fraunhofer IFAM brachte hierbei insbesondere seine Expertise in der Applikationstechnik und Beschichtungsentwicklung ein. Im Mittelpunkt standen dabei unter anderem die Übertragung der Schichtsysteme auf reale Tankgeometrien, die Prozessstabilität sowie das Verhalten unter kryogenen Bedingungen. Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit wurden unter anderem Permeationsmessungen, Kryozyklierung und REM-Analysen eingesetzt.
Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von Barrierebeschichtungen, Leichtbaumaterialien in Wasserstofftanks verstärkt einsetzen zu können und damit Gewicht sowie Energieaufwand zu reduzieren – nicht nur für die Luftfahrt, sondern perspektivisch auch für weitere Anwendungen im Kontext Mobilität und Wasserstoffinfrastruktur.
Fertigung: Automatisierte Bearbeitung und Montage im 1:1-Maßstab
Schließlich runden die FuE-Aktivitäten im HYTANK-Projekt bezüglich prozesssicherer Fertigung und der Montage großvolumiger CFK-Wasserstofftanks das Forschungsvorhaben ab. Das Fraunhofer IFAM entwickelte hierfür Technologien zur mechanischen Bearbeitung von Funktionsflächen, zur präzisen Positionierung der Fügepartner und zur automatisierten Klebstoffapplikation. Ziel war das kontrollierte Fügen der Teilkomponenten zu einem geschlossenen Innentank. Die entwickelten Verfahren wurden im 1:1-Maßstab an großformatigen Bauteilen erprobt.
Für die Montage wurde ein durchgängiges Konzept für einen rund sechs Meter langen Doppelwandtank mit Innen- und Außentank, integrierter Innenstruktur und Isolierung erarbeitet. Aufgrund großer Bauteilabmessungen, biegeschlaffen CFK-Zylindern, enger Toleranzanforderungen und langer Aushärtezeiten bedurfte es eines präzise abgestimmten und skalierbaren Montagekonzepts. Die Auswahl fiel daher auf ein modulares Montagesystem auf Linearachsen mit parallel angeordneten Handhabungs- und Fügeprozessen, da es eine präzise, robuste und perspektivisch skalierbare Handhabung der empfindlichen CFK-Tankstrukturen ermöglicht.
Ergänzend entstand eine Validierungsplattform mit linear verfahrbaren Aufnahmesystemen, die messtechnisch qualifiziert wurde. Hier ließen sich zentrale Einflussgrößen des Fügens – etwa Standverhalten des Strukturklebstoffs, Einstellung von Überlapp- und Spaltverhältnissen sowie Verpressverhalten der Fügepartner – unter kontrollierten Randbedingungen untersuchen. Zugleich wurde der signifikante Einfluss von Form- und Lagetoleranzen auf die Prozessstabilität deutlich.
Auch für das klebtechnische Fügen, das besondere Anforderungen an die automatisierte Prozessführung stellte, wurde ein angepasstes System realisiert. Ein eigens entwickelter robotergeführter Endeffektor mit Rollenführung und Federmechanismus ermöglichte auf gekrümmten Fügeflächen einen konstanten Düsenabstand und unterstützte so einen reproduzierbaren Auftrag des Klebstoffs. Nach der Applikation wurden die Fügepartner über ein Schienensystem der Montageanlage automatisiert zueinander positioniert und gefügt. Heizmatten beschleunigten anschließend die Klebstoffaushärtung.
Die Ergebnisse zeigen, dass automatisierte Bearbeitungs-, Positionier- und Klebprozesse für großformatige CFK-LH2-Tankstrukturen grundsätzlich realisierbar sind. Für eine industrielle Umsetzung sind insbesondere robuste Strategien zum Toleranzmanagement, zur reproduzierbaren Spalteinstellung und zur prozesssicheren Klebstoffapplikation weiterzuentwickeln.
Fazit und Ausblick
Im Rahmen des FuE-Projekts entwickelte das Fraunhofer IFAM wesentliche Technologien für die zukünftige, ressourceneffiziente Produktion von Wasserstofftanks, beispielsweise für die Luftfahrt: abgestimmte Oberflächenvorbehandlungen, funktionelle Barrierebeschichtungen sowie automatisierte Bearbeitungs-, Füge- und Montageprozesse. Gemeinsam tragen diese Ansätze dazu bei, großformatige belastbare CFK-LH2-Tankstrukturen leichter, dichter und in der industriellen Produktion beherrschbarer zu machen – auch für Anwendungen in anderen Branchen, beispielsweise in der Schifffahrt und für die Wasserstoffinfrastruktur.
Förderung
Das Projekt HYTANK (Entwicklung von Beschichtungs-, Füge- und Montage-Prozessen zur Herstellung eines CFK-LH2-Tanks für das emissionsfreie Fliegen) mit dem Förderkennzeichen 20W2214D wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags im Rahmen des LuFo VI-3-Programms gefördert. Im Namen aller Projektpartner bedankt sich das Fraunhofer IFAM beim Bundesministerium für Wirtschaft und Energie sowie bei dem Projektträger Luftfahrtfahrtforschung vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) für deren Unterstützung.
- www.ifam.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Automatisierte Applikation der Barriereschicht mittels Lackierroboter und konventioneller Automatikpistole (Bild: Fraunhofer IFAM)