Faserverbundtechnik

Arbeitsbereich

Dieser Bereich des Fraunhofer IGP beschäftigt sich sowohl mit aktuellen fügetechnischen Problemstellungen der Leicht- und Mischbauweisen als auch mit der Entwicklung und Adaption von Fertigungsverfahren für Faserverbundbauteile. Weitere Schwerpunkte sind die Untersuchung von Alterungseinflüssen auf Werkstoffe, Klebverbindungen und Beschichtungen durch Laboralterung in künstlichem Klima.

© Fraunhofer IGP
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In Zusammenarbeit mit dem akkreditierten Prüflabor des Fraunhofer IGP werden Werkstoffe, Verbindungen und Beschichtungssysteme unter genormten Bedingungen geprüft und qualifiziert. Darüber hinaus werden für Spezialanwendungen neue Prüfverfahren entwickelt und eingesetzt.

Der Fokus im Bereich Faserverbundtechnik liegt  in der ganzheitlichen Optimierung großer Faserverbundkonstruktionen wie Rotorblätter von Windenergieanlagen, Schiffsaufbauten oder Anwendungen im Bauwesen. Die Arbeitsschwerpunkte reichen dabei von der Entwicklung brandgeschützter Werkstoffe über Fertigungstechnik bis zur Kennwertermittlung und Berechnung.

Teamleitung: Faserverbundtechnik

Projektübersicht Faserverbuntechnik

Systemlösung für ein maritimes Städteshuttle

VP3: Entwicklung und Konstruktion einer Schiffsstruktur

Ziel des Bündnisses E2MUT ist die Entwicklung und Einführung von emissionsfreien urbanen Mobilitätslösungen auf dem Wasser. Neben zwei Verbundprojekten, die sich mit der Infrastruktur und dem Antriebs- und Energiesystemen befassen, beschäftigt sich das VP3 mit der Entwicklung und Konstruktion der Schiffsstruktur, das durch ein neuartiges Design an die Erfordernisse alternativer Antriebssysteme angepasst ist. In fünf Kompetenzfeldern wird unter anderem an der Entwicklung eines schnelles Städteshuttels für den intraurbanen Raum sowie an modernen Binnenfrachtern und Elektrofähren gearbeitet. Die Schiffe ebenen dank innovativer Multi-Hull-Rumpfform mit adaptiver Foil-Unterstützung, die mit neuartigen Fertigungs- und Fügeverfahren aus Faserverbundmaterialien hergestellt werden, den Weg für einen emissionsarmen Personen- und Wirtschaftsverkehr.

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Neue Tankkonzepte für Flüssigwasserstoff

Erhöhung der Speicher- und Transporteffizienz für Flüssigwasserstoff in Stahl-Faserverbundtanks durch thermisch gespritzte TBC-Schichten

Es gibt derzeit aufgrund des sich entwickelnden Marktes nur wenig Erfahrung mit dem Transport großer Mengen Flüssigwasserstoff (LH2). Die Tankkonstruktionen beziehen sich auf Standardanwendungen für die Lagerung und den Transport an Land mit vakuumisolierten, doppelwandigen Konstruktionen aus austenitischem Edelstahl, welche eine vergleichsweise hohe Wärmediffusivität und -leitfähigkeit sowie ein erhöhtes Gewicht aufweisen. Dies verringert derzeit die Effizienz aufgrund des gesteigerten Boil-Offs und der ungünstigen gravimetrischen Speicherdichte.
Für die maritime Erzeugung sowie den Transport von LH2 sind somit neue Tankkonzepte notwendig. Hierbei werden innovative technische Ansätze aus der Raumfahrt (Faserwicklungen) sowie für Hochtemperaturanwendungen (Wärmedämmschichten „TBC“) aufgegriffen und zusammengeführt.

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Schwingfeste Faserverbundisolatoren

Lebensdaueroptimierte Tragstrukturen für elektrische Anlagen auf schwimmenden Mehrzweckplattformen

Auf schwimmenden Mehrzweckplattformen in Offshore-Windparks sollen zur Lagerung elektrischer Komponenten Verbundisolatoren aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) eingesetzt werden. Der elektrisch nichtleitende Kern der Verbundisolatoren gewährleistet die sichere Isolation und zuverlässige Lagerung von beispielsweise Konvertermodulen. Durch den Offshore-Einsatz der Plattformen wirken auf die Isolatoren resultierend aus äußeren Einwirkungen, wie Wind- und Wellenlasten, im Vergleich zu einer stationären Nutzung vermehrt zyklische Beanspruchungen. Aus dieser Problemstellung heraus werden bestehende Isolatorkonzepte materialseitig sowie konstruktiv analysiert und optimiert. Das übergeordnete Ziel ist ein zuverlässiger Dauerfestigkeitsnachweis der Verbundisolatoren mittels eines auf analytischen, numerischen sowie experimentellen Nachweismethoden basierenden Bemessungskonzeptes.

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Recycling von Kunststoffen

Zerlegung und Wiederverwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) finden seit Jahren in vielen Branchen vermehrt Anwendung. In der Folge wird zukünftig die Menge an CFK-Altmaterialien immer größer werden. Da es sich bei der Herstellung der Kohlenstofffasern (CF) um einen sehr energieintensiven Prozess handelt und sie entsprechend teuer sind, sprechen sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Gründe für eine Zerlegung der CFK-Altmaterialien und eine anschließende Wiederverwendung der CF.
Das Forschungsprojekt SolvoCycle beschäftigt sich mit dem Einsatz nah- und überkritischer Fluide zum CFK-Recycling. Dieses als Solvolyse bezeichnete Verfahren ermöglicht es die Kunststoffmatrizes von CFK-Materialien ohne Schädigung der Fasern zu zersetzen. Ziele des Projekts sind u.a. die Gewinnung recycelter CF und deren Verarbeitung in neuen CFK-Bauteilen.

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WaSpLeicht

Skalierbare Wasserstoff-Speichersysteme in Leichtbauweise

Überkapazitäten in der regenerativen Stromerzeugung können nach einer Umwandlung mittels Elektrolyse in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Die gasförmige Druckspeicherung stellt hierbei hohe Anforderungen an die Druckbehälter, die aus einem thermoplastischen inneren Auskleidungskörper, dem Liner, und einer gewickelten Druckhülle aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff bestehen. Die Forschungsarbeiten verfolgen einerseits die Verbesserung der Zusammensetzung sowie der Verarbeitung des thermoplastischen Liner-Materials im reaktiven Rotationsguss im Hinblick auf seine mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Andererseits beschäftigen sie sich mit der rechnerischen Auslegung und Optimierung der Geometrie der einzelnen Druckbehälter-Komponenten zur Spannungsreduzierung vor allem in Übergangsbereichen.

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Einsatz im Schiffbau ermöglichen

Nichtbrennbare, faserverstärkte Kompositbauteile auf Basis kalthärtender, anorganischer Matrixsysteme

Der Einsatz von Kompositmaterialien im Schiffbau ist aufgrund großer Gestaltungsfreiheit, hohem Korrosionswiderstand und erheblicher Gewichtseinsparung prinzipiell äußerst vielversprechend. Strenge Brandschutzbestimmungen verhindern jedoch die Verwendung konventioneller Faserkunststoffverbunde (FKV) mit organischen Matrizes, die im Brandfall unter Wärmefreisetzung verbrennen. Die Lösung der Problematik besteht in der Substitution der Kunststoffe durch anorganische, nicht brennbare Matrixsysteme. Konventionelle Fertigungsverfahren für FKV lassen sich allerdings nicht ohne weiteres auf die anorganischen Materialien übertragen. Das Projekt AnorKomp beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Optimierung und Verarbeitung anorganischer Systeme sowie Verfahren zur Fertigung entsprechender Kompositbauteile.

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Leistungen

  • Anwendungsorientierte Entwicklung innovativer Composite-Fertigungsverfahren und -Leichtbauweisen
  • Konstruktion, Auslegung und Dimensionierung von Faserverbundbauteilen
  •  Optimierung von Faserverbundstrukturen mit analytischen und numerischen Berechnungsmethoden
  • Entwicklung brandgeschützter Composite-Werkstoffe
  • Polymeranalytische Untersuchungen zur Optimierung von Composite-Fertigungsprozessen
  • Optimierung von Faserverbundwerkstoffen für stoff-, kraft- und formschlüssige Fügeverfahren
  • Entwicklung von Verfahren zum Recycling duroplastischer Faserverbundwerkstoffe
  • Ermittlung mechanisch-technologischer und bruchmechanischer Material- und Bauteileigenschaften (statisch, zyklisch)
  • Durchführung von chemisch-physikalischen Prüfungen an unverstärkten und faserverstärkten Kunststoffen

Ausstattung

Prüflabor Fertigungstechnik Analytiklabor Klimalabor
  • Statische Universalprüfmaschinen (bis 1000 kN)
  • Dynamische Pulsatoren (0,1 bis 100 kN; 0,1 bis 100 Hz)
  • Temperiertechnik (-170 bis 200 °C)
  • Kleb- und Laminiertechniklabor
  • NC-Werkstatt für Probenpräparation und Vorrichtungsbau
  • Atmosphärendruckplasmaanlage und Strahltechnik
  • Vakuum- und Pumpentechnik für Fertigungsversuche
  • Laborwickelanlage
  • Kontaktwinkelmessgerät
  • DSC-Gerät
  • Rheometer
  • DMA
  • Auf- und Durchlichtmikroskope
  • Robotergeführte Ultraschallprüfanlage
  • Heliumlecktestgerät
  • Thermografiesystem
  • Klimawechselgeräte und Konstantklimaschränke
  • Salzsprühnebelkammern
  • UV- und Xenon-Bestrahlungsanlagen
  • Klimakammer für Großversuche (90m³, -50°C…+60°C)
  • Feldnahe Probenauslagerung (Wasser/Sediment) mit elektrochemischem Monitoring
  • Freibewitterung

Abteilungsleitung: Neue Werkstoffe und Verfahren