Wasserstofftechnologie Neue Fertigungsverfahren für CFK-Wasserstofftanks

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Leichte und gleichzeitig dichte Wasserstofftanks sind eine zentrale Herausforderung für die Luftfahrt. Neue Verfahren zur Oberflächenbehandlung, Beschichtung und automatisierten Fertigung sollen hier Abhilfe schaffen.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM entwickeln im Projekt „Hytank“ Technologien für die ressourceneffiziente Produktion von Wasserstofftanks aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK). Ziel ist es, leichte, dichte und unter kryogenen Bedingungen zuverlässige Tankstrukturen beispielsweise für die Luftfahrt herzustellen.

Flüssiger Wasserstoff (LH₂) gilt als vielversprechende Option für zukünftige Luftfahrtantriebe. Die Tanks müssen jedoch extremen Anforderungen standhalten. Bei Temperaturen bis zu -253 °C sollen sie leicht, dauerhaft dicht und mechanisch belastbar sein. CFK bietet dafür geeignete Voraussetzungen, erfordert jedoch angepasste Fertigungs- und Fügetechnologien, insbesondere für doppelwandige Tankstrukturen mit isolierendem Vakuum zwischen Innen- und Außenhülle.

Technologien für CFK-Wasserstofftanks

Im Projekt „Hytank“ entwickelte das Fraunhofer IFAM einen integrierten Ansatz entlang der gesamten Prozesskette. Dieser reicht von der Oberflächenvorbehandlung über Barrierebeschichtungen bis zur automatisierten Fertigung im 1:1-Maßstab.

Ein Schwerpunkt lag auf der Vorbehandlung der CFK-Oberflächen, um eine hohe Haftfestigkeit für nachfolgende Beschichtungen zu gewährleisten. Dafür wurden verschiedene Verfahren untersucht, darunter Atmosphärendruck-Plasma, VUV-Bestrahlung und Laserbehandlung. Diese verbessern je nach Verfahren die Benetzbarkeit, aktivieren die Oberfläche chemisch oder entfernen haftkritische Rückstände. So erhöht die Atmosphärendruck-Plasmabehandlung die Benetzbarkeit und Haftung, ohne die Oberfläche stark thermisch oder mechanisch zu belasten. Die VUV-Bestrahlung aktiviert die Oberfläche durch den Eintrag polarer funktioneller Gruppen, während Laserbehandlungen eine präzise Reinigung und Oberflächenaktivierung ermöglichen.

Ergänzend entwickelte das Team Beschichtungssysteme auf Basis polymerer Bindemittel mit Barrierepigmenten, die die Gasdurchlässigkeit polymerbasierter Tanks reduzieren. Die Schichten verlängern den Diffusionsweg für Gasmoleküle und tragen dazu bei, das Austreten von Wasserstoff zu verringern sowie das Eindringen von Feuchtigkeit zu begrenzen. Gleichzeitig unterstützen sie die Stabilisierung des isolierenden Vakuums in doppelwandigen Tankstrukturen und erhöhen die Betriebssicherheit.

Automatisierte Fertigung im Großmaßstab

Für die Produktion wurden Technologien zur mechanischen Bearbeitung, präzisen Positionierung und zum klebtechnischen Fügen entwickelt. Ein modulares Montagesystem ermöglicht die Handhabung großformatiger CFK-Strukturen und unterstützt eine skalierbare Fertigung.

Ein robotergeführter Endeffektor sorgt für einen reproduzierbaren Klebstoffauftrag auch auf gekrümmten Oberflächen. Die Fügepartner werden anschließend automatisiert positioniert und verbunden. Beschleunigte Aushärtungsprozesse verkürzen die Produktionszeit.

Industrielle Umsetzung und Anwendungen

Die Ergebnisse zeigen, dass automatisierte Bearbeitungs-, Füge- und Montageprozesse für CFK-Wasserstofftanks grundsätzlich realisierbar sind. Für eine industrielle Umsetzung sind insbesondere robuste Strategien zur Toleranzkontrolle, Spaltmaßführung und Prozessstabilität erforderlich.

Die entwickelten Technologien können dazu beitragen, Wasserstofftanks leichter, dichter und effizienter produzierbar zu machen. Das gilt nicht nur für die Luftfahrt, sondern perspektivisch auch für Anwendungen in der Schifffahrt und Wasserstoffinfrastruktur.