Faserverbundtechnik

Im Rahmen der technischen Durchführbarkeitsstudie »RetroTank« wird die Realisierbarkeit von Retrofitlösungen für Tanksysteme von Schiffen untersucht. Im Sinne einer grünen Schifffahrt ergibt sich zur Nutzung alternativer Kraftstoffsysteme wie Ammoniak und Methanol in Bestandsschiffen die Notwendigkeit der Entwicklung technischer Lösungsansätze, die die Um- bzw. Nachrüstung aktueller Tanksysteme mittels einer geforderten zweiten Barriereschicht ermöglicht. Die erarbeiteten Lösungskonzepte basieren dabei auf dem Einsatz unterschiedlicher Fertigungstechnologien. Neben dem stahlbaulichen Ansatz wird hierzu insbesondere der Einsatz von faser- und unverstärkten Kunststoffen in Kombination mit organischen und thermisch gespritzten Beschichtungssytemen untersucht.

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Um Faserverbundwerkstoffe (FVW) im Schiffbau nutzen zu können, müssen diese strenge Brandschutzbestimmungen erfüllen. Im Vergleich zu Kunststoffen werden anorganische, nicht brennbare Matrixsysteme diesen Anforderungen gerecht. Jedoch weisen sie wiederum Defizite in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften auf. Mit dem Ziel die positiven Eigenschaften organischer und anorganischer Matrices zu kombinieren beschäftigt sich das Projekt HybridComp mit der Entwicklung eines hybriden organisch-anorganischen Faserverbundwerkstoffes. Grundlegend werden hierzu mit einer homogenen gemischten Hybridmatrix, sowie mit einem FVW bestehend aus abgegrenzten organischen und anorganischen Einzelschichten, zwei Ansätze verfolgt. Dabei stehen die versuchstechnische Ermittlung von Prozessparametern und Qualifizierung von Fertigungsverfahren im Fokus, um den Einsatz von nicht brennbaren FVW in (semi-) strukturellen Bauteilen zu ermöglichen.

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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 schnellen Städteshuttels für den intraurbanen Raum sowie an modernen Binnenfrachtern und Elektrofähren gearbeitet. Die Schiffe ebnen 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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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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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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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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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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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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