Modellierung und Charakterisierung für eine präzise Werkstoffbeschreibung
Das Forschungsvorhaben strebt an, durch eine umfassende Digitalisierung sowie anwendungsspezifische Charakterisierung und Modellierung der Werkstoffe eine realitätsnahe Beschreibung von Druckbehältern zu entwickeln. Ziel ist es, das Verhalten des Gesamtsystems während der Herstellung und im gesamten Produktlebenszyklus präzise abzubilden und so die Auslegung inline-überwachter Druckbehälter zu optimieren.
Leichtbau-Druckbehälter sind wesentlicher Befähiger zum Einsatz von CO2-neutralen, auf Wasserstoff basierenden Antrieben im Transportwesen. Während auch in absehbarer Zukunft der Batteriespeicher den Bereich der PKW dominieren wird, ist Wasserstoff bei schweren Fahrzeugen wie LKW, Bussen, Bahn und Marine heute die bevorzugte Lösung als Alternative zu klassischen Treibstoffen. Der Wasserstoff muss jedoch bei hohen Drücken (350-700 barü) oder tiefen Temperaturen gespeichert werden. Dies ist für mobilen Anwendungen aufgrund der Leichtbauanforderungen nur durch den Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) als Werkstoff attraktiv umsetzbar.
© IKVTraditionell werden diese dickwandigen Strukturen aus duroplastischen Systemen im Nasswickelverfahren hergestellt. Hervorzuheben ist jedoch die deutlich höhere Materialausnutzung, was sich positiv auf das CO2-Einsparpotential auswirkt. 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.
Technologisches Ziel des gestarteten Forschungsvorhabens ist es, mittels durchgängiger Digitalisierung sowie anwendungsspezifischer Charakterisierung und Modellierung eine realistische Beschreibung der Behälterwerkstoffe und des Gesamtsystems während der Herstellung und des Produktlebenszyklusses zu erlangen. Es wird die Wechselwirkungen innerhalb Maschine-Prozess-Material-Morphologie-Werkstoffeigenschaftsbeziehung experimentell und simulativ analysiert, mit geeigneten Methoden modelliert und für Optimierungen in der Simulation in Form eines digitalen Zwillings der gefertigten Druckbehälter nutzbar gemacht werden. 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.
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.
Projektdaten und Förderung
Das Forschungsvorhaben (03LB3099A) wird im Rahmen des Programms „CO2-Einsparung durch Ressourceneffizienz und -substitution“ aus der Bekanntmachung zum Technologietransfer-Programm Leichtbau (TTP LB) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. Das Konsortialprojekt umfasst insgesamt zehn Partner aus Forschung und Industrie entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Druckbehälterherstellung und wird durch das IKV-Aachen hauptverantwortlich koordiniert.
Projektlaufzeit: 01.07.2023 – 30.06.2026
Förderung:
