DigiTain - Digitalization for sustainability - Prozesse, Methoden und Modelle zur volldigitalen Produktentwicklung nachhaltiger Elektroantriebsarchitekturen; Partnerspezifischer Schlussbericht: Entwicklung innovativer Thin-Ply-Technik mittels Faserspreizen und neuartigen Harzsystemen für Wasserstofftanks

Abstract

Die Herstellung von Carbonfaser-verstärkten Druckbehältern für Wasserstoffanwendungen (Typ IV) nach ECE R134 stellt hohe Anforderungen an Matrixsysteme hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Festigkeit und thermischer Stabilität. Konventionelle Nasswickelprozesse sind in Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit limitiert; Thin-Ply-Architekturen bieten Potenzial zur Schadensverzögerung, erfordern jedoch angepasste Fertigungsprozesse. Ziel war die Entwicklung eines latenten Epoxidharzsystems für den Speedpreg-Prozess sowie eines biobasierten Harzsystems auf Basis von Cashewnussschalenöl. Parallel wurde durch mechanisches Faserspreizen der Thin-Ply-Bereich erschlossen und dessen Einfluss auf gewickelte Laminate untersucht. Harzsysteme wurden rheologisch (Platte-Platte-Rheometer) und mechanisch (ISO 527-2, ISO 13586) charakterisiert. Das Faserspreizen erfolgte anhand statistischer Box-Behnken-Versuchspläne; gespreizte Bänder wurden zu ±54,7°-Laminatrohren gewickelt und nach ASTM D2290-19A geprüft. Das Speedpreg-Harz erfüllte alle Anforderungen mit einer Topfzeit von über 3 Stunden, einem E-Modul über 2500 MPa und TG >105 °C. Filamentgewickelte Ringe erreichten eine Faserausnutzung von 98%. Das biobasierte System erzielte vergleichbare Kennwerte bei 25% Bioanteil. Durch Faserspreizen wurden Flächenmassen bis 53 g/m² realisiert; Proben mit 82 g/m² zeigten signifikant höhere Zugfestigkeit und reduzierte Delaminationen. Die entwickelten Systeme ermöglichen die wirtschaftliche Fertigung hochbelastbarer Verbundstrukturen. Mechanisches Faserspreizen verbessert die Laminatleistung durch den Thin-Ply-Effekt nachweislich und ist für Wasserstofftanks der Klasse Typ V besonders vielversprechend. The manufacture of carbon fiber-reinforced pressure vessels for hydrogen applications (Type IV) in accordance with ECE R134 places high demands on matrix systems with regard to processability, strength, and thermal stability. Conventional wet winding processes are limited in speed and reproducibility; thin-ply architectures offer potential for damage delay, but require adapted manufacturing processes. The aim of the project was to develop a latent epoxy resin system for the Speedpreg process as well as a bio-based resin system derived from cashew nut shell oil. In parallel, the thin-ply range was accessed by mechanical fiber spreading, and its influence on wound laminates was investigated. Resin systems were characterized rheologically (plate-plate rheometer) and mechanically (ISO 527-2, ISO 13586). Fiber spreading was carried out using statistical Box-Behnken design of experiments; spread tapes were wound into ±54.7° laminate tubes and tested according to ASTM D2290-19A. The Speedpreg resin met all requirements with a pot life of over 3 hours, a Young's modulus exceeding 2500 MPa, and TG > 105 °C. Filament-wound rings achieved a fiber utilization of 98%. The bio-based system achieved comparable properties at a bio- based content of 25%. Through fiber spreading, areal weights down to 53 g/m² were realized; specimens with 82 g/m² showed significantly higher tensile strength and reduced delamination. The developed systems enable the cost-effective manufacturing of high-performance composite structures. Mechanical fiber spreading demonstrably improves laminate performance through the thin-ply effect and is particularly promising for Type V hydrogen tanks.