Permeationsoptimierte und kosteneffiziente H₂ Druckbehälter für elektromobiles Fliegen durch Prozessinnovationen in der Filament-Winding-Technologie; im Verbundprojekt: Lastgerechte Faserverläufe auf gekrümmten Strukturen am Beispiel eines bauraumkonformen und aerodynamischen Typ-V Wasserstoff-Drucktank und einer Triebwerk-Ringstruktur mit Entwicklungsprozess-begleitender Validierungsstrategie (LaSt)

Abstract

Ziel war die Entwicklung permeationsoptimierter und kosteneffizienter Wasserstoff-Druckbehälter (H2-Druckbehälter) für elektromobile Fluganwendungen durch Prozessinnovationen in der Filament-Winding-Technologie. Im Verbundprojekt LaSt (Lastgerechte Faserverläufe auf gekrümmten Strukturen) stand die Weiterentwicklung der Wickeltechnologie um nichtgeodätische Faserverlegemethoden im Mittelpunkt. Ziel war es, lastpfadgerechte Faserverläufe auf dreidimensional gekrümmten Strukturen zu realisieren. Als Demonstratorbauteil diente ein bauraumkonformer, aerodynamischer Typ-V Wasserstoff-Drucktank, dessen gesamter Druckbehälter aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) besteht – ohne metallischen Liner. Erstmalig kam eine Kombination aus Tailored Fiber Placement (TFP) Technologie zusammen mit der für Druckbehälter etablierten Filament Winding (FW) Technologie zum Einsatz. Diese Prozess-Produktinnovation ermöglicht strukturkonforme Behälter mit aerodynamisch angepasster Geometrie als Außentank. Zentrale Ergebnisse: (1) Erfolgreiche Implementierung einer nichtgeodätischen Wickeltechnologie mit 5-Achs-Steuerung und Winkelgenauigkeit ±1,5°. (2) Konstruktion und Fertigung eines neuartigen CFK-Liners mit angepasstem Boss-Konzept für Typ-V-Druckbehälter. (3) Entwicklung eines hybriden VARI/RTM-Fertigungsprozesses mit Faservolumengehalten über 55%. (4) Herstellung prüffähiger Tankstrukturen mit lastpfadgerechter TFP-FW Faserarchitektur. (5) Experimentelle Validierung durch H2-Permeationscharakterisierung und prüftechnische Nachweise. Die Projektergebnisse unterstützen die Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie und positionieren Deutschland als Technologieführer für leichtgewichtige CFK-Druckbehälter in der Luftfahrt. Die entwickelten Technologien bieten wirtschaftliche Verwertungspotenziale für bauraumkonforme H2-Tanks in bemannten und unbemannten Flugsystemen sowie Spin-off-Anwendungen für doppelt gekrümmte TFP-FW Strukturen.