Neue Werkstoffe und Verfahren

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

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.
Im Bereich der Klebtechnik erstreckt sich das Leistungsspektrum des IGP von der klebgerechten Konstruktion von Bauteilen und Baugruppen, über die Auslegung und Dimensionierung von Klebverbindung bis hin zur Entwicklung und Qualifizierung des gesamten Klebprozesses sowie der Verbindungsstelle.
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.
Im Bereich Korrosionsschutz und künstliche Alterung liegen die Schwerpunkte des IGP in der Entwicklung und Qualifizierung neuartiger Korrosionsschutzsysteme mit verbesserten Eigenschaften sowie der Ermittlung von Alterungseinflüssen.  

Das ist neu:
Seit 2020 bilden die einzelnen Bereiche der ehemaligen Gruppe Klebtechnik, Faserverbundtechnik und Korrosionsschutz eigene Teams. Das Team Klebtechnik wird geleitet von M.Sc. Linda Fröck. M.Sc. Stefan Schmidt leitet das Team der Faserverbundtechnik. Dr.-Ing. Michael Irmer übernimmt die Führung des Teams Bewitterung, Beschichtung und Korrosionsschutz. Alle Teams gehören zur Abteilung Neue Verfahren und Werkstoffe, die von Dr.-Ing. Nikolai Glück geleitet wird.  Die einzelnen neu entstandenen Teams werden in Zukunft ausführlicher vorgestellt.

 

Projektübersicht Neue Werkstoffe und Verfahren

Schwingfeste Faserverbundisolatoren

Lebensdaueroptimierte Tragstrukturen für elektrische Anlagen auf schwimmenden Mehrzweckplattformen

Zur Lagerung elektrischer Anlagen und Komponenten auf Energieübertragungsplattformen werden strukturelle Verbundbauteile aus glasfaserverstärktem Kunststoff verwendet. Der elektrisch nichtleitende Kern der Verbundisolatoren soll die sichere Isolation und zuverlässige Lagerung von beispielsweise Konvertermodulen gewährleisten. Durch den Offshore-Einsatz der Mehrzweckplattformen wirken auf die strukturellen Bauteile dynamisch zyklische Beanspruchungen, die aus äußeren Einwirkungen auf die Plattform resultieren. Bestehende Isolatorenkonzepte werden hinsichtlich ihrer mechanischen Beanspruchbarkeit materialseitig und konstruktiv mittels numerischer Simulation sowie experimenteller Prüfung optimiert. Das entwickelte Bemessungskonzept zum Nachweis der Dauerfestigkeit soll auf vergleichbare Composite-Bauteile transferiert werden können.

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SOT-Unterwasserbeschichten

Korrosionsschutz maritimer Strukturen durch Beschichtungssysteme

Als Teil der Forschungsgruppe Smart Ocean Technologies (kurz: SOT) beschäftigt sich das Fraunhofer IGP mit Problemstellungen der maritimen Industrie. Zusammen mit dem Digital Ocean Lab in Nienhagen bildet das SOT dabei die von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderte forschungsseitige Basis für den am Rostocker Fischereihafen entstehenden Ocean Technologie Campus. Das IGP bringt hier im Rahmen des Projektes Unterwasser-Instandhaltung sein Expertenwissen im Bereich des Korrosionsschutzes ein und entwickelt, zusammen mit den Fraunhofer-Instituten IOSB, IGD und IKTS ein Verfahren zur mechanisierten Applikation von Beschichtungsstoffen mittels Unterwasser-Fahrzeug. Das Ziel ist die Entwicklung einer Technologie, welche in Form der Spot-Repair-Anwendung den Korrosionsschutz partiell instand setzt. Dies führt nicht nur zu großen ökonomischen Vorteilen, sondern geht aufgrund des Verzichts von Tauchereinsätzen auch mit einer erheblichen Steigerung der Arbeitssicherheit auf hoher See einher.

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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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Halterkleben in der Entwicklung

Der zunehmende Konkurrenzkampf im Schiffbau erhöht die Anforderungen an Werften und Zulieferfirmen. Es besteht die Forderung nach immer kürzeren Fertigungszeiten des gesamten Schiffes, sowie zur Realisierung kurzfristiger Änderungen und Kundenwünsche in endnahen Bauphasen. Aus diesem Grund wurde im Forschungsvorhaben (IGF 18527 BG) neben einem zerstörungsfreien Verfahren zum Nachweis der erforderlichen Mindesttragfähigkeiten der Beschichtung, eine Halterfamilie entwickelt. Nach Beendigung des Projektes wurde die schiffbauliche Zulassung bei zwei Klassifikationsgesellschaften durch weiterführende Untersuchungen erlangt. Derzeit werden die Halterungen weiterentwickelt, um mit Hilfe von zwei kombinierten Haltern Hängematten auf Schiffen zu befestigen.

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Korrosionsschutz von Offshore-Windenergieanlagen durch Beschichtungssysteme

OWSplus - Entwicklung einer Vorlegetechnologie für den automatisierten Korrosionsschutz von schwimmenden Mehrzweckplattformen

Hohe atmosphärische Belastungen führen zu besonderen Anforderungen an den Korrosionsschutz von Offshore-Windenergieanlagen durch Beschichtungssysteme. Der händische Applikationsprozess und die Erzielung definierter Schichtdicken mittels Spritztechnik ist dabei sehr zeit- und kostenintensiv. An komplexen Geometrien, wie Schweißnähten und Kanten, kommt es darüber hinaus häufig zu qualitätsmindernder Kantenflucht. Durch diesen Effekt werden die Vorgaben des Korrosionsschutzes nach der Mindestschichtdicke häufig nicht mehr erfüllt. Um der Kantenflucht entgegenzuwirken, werden Schweißnähte und Kanten in einem zusätzlichen Arbeitsschritt mit einem Pinsel vorgelegt. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, den Vorlegeprozess an komplexen Geometrien zu automatisieren, um einen qualitativ hochwertigen und kostenreduzierten Korrosionsschutz zu ermöglichen.

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Überprüfung von Rotorblättern mit Hilfe einer autonomen Drohne

Automatic Rotorblade Groundbased Observation System (Argos)

Zur Wartung von Wind-Energieanlagen gehört auch die regelmäßige Prüfung der Rotorblätter, welche in der Regel alle zwei Jahre durchgeführt werden muss. Nach aktuellem Stand der Technik seilen sich hierfür Industriekletterer an den Rotorblättern herab. Sie überprüfen durch Fotodokumentation sowie Klopfen (Klopfprüfung) an auffälligen Bereichen den Zustand des Blattes. Mittels der zurzeit geläufigen Methoden kann jedoch nur eine partielle und lokale Inspektion am Rotorblatt ermöglicht werden.

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Kleben unter Wasser

Untersuchung und Optimierung der Prozessparameter und Werkzeuge zum Unterwasserkleben von Halterungssystemen

Der Betrieb und die Wartung von Wasserbauwerken und -fahrzeugen erfordern häufig die nachträgliche Montage von Ausrüstungsgegenständen, wie Sensoren, Sonarsender oder Korrosionsschutzequipment unter Wasser. Durch Schweißverfahren und mechanisches Fügen entstehen metallurgische sowie mechanische Kerben, weshalb im abgeschlossenen IGF-Projekt Unterwasserkleben (19493 BR) ein geklebtes Haltersystem grundlegend entwickelt wurde. Ziel des aktuellen Vorhabens ist die Untersuchung des Einflusses der Prozessparameter des mehrstufigen Injektionsprozesses (Medien, Zeiten, Drücke) auf die Verbindungsgüte und die Entwicklung eines entsprechenden teilautomatisierten Werkzeugs für den Einsatz durch Taucher oder ROV. Hiermit soll die Prozesssicherheit gesteigert, die Prozessgrenzen nachgewiesen und ein Verfahren für die Anwendung durch ROVs / AUVs vorbereitet werden.

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Kleben als Fügeverfahren

Inspektionsmethoden für die wiederkehrende Prüfung hochelastischer Dickschicht- und Strukturklebungen in Schiffbauanwendungen

Infolge steigender Leichtbauanforderungen gewinnt das Kleben als Fügeverfahren im Schiffbau an Bedeutung. Der Integration der Klebtechnik steht jedoch auch die fehlende Langzeiterfahrung im Weg. Ziel ist es, geeignete Inspektionsverfahren und -intervalle für den laufenden Betrieb zu finden und die Erfahrungen mit Klebverbindungen im maritimen Bereich auszubauen. Um das zu erreichen, werden für den Schiffbau typische Imperfektionen in Klebverbindungen hinsichtlich ihres Schädigungspotenzials sowie Einflusses auf die Lebensdauer bewertet. Anhand der Erkenntnisse werden sinnvolle Inspektionsintervalle für den Einsatz von Klebverbindungen im Schiffbau festgelegt. Weiterhin werden zerstörungsfreie Inspektionsmethoden für den Gebrauch sowohl auf der Werft als auch auf dem Meer zusammengetragen und auf ihre Anwendbarkeit geprüft.  

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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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FoKO-Wind

Entwicklung von Folienbeschichtungssystemen und deren Applikationstechniken als Korrosionsschutz von Offshore-Windenergieanlagen

Offshore-Windenergieanlagen sind ständig Wind, Wasser und Salz ausgesetzt. Der Schutz der stahlbaulichen Strukturen wird durch leistungsfähige Beschichtungssysteme gewährleistet. Die Applikation dieser flüssigen Beschichtungsstoffe ist durch Umgebungsbedingungen und Qualitätsüberwachung im Beschichtungsprozess mit enormem Aufwand verbunden. Mit Entwicklung eines Folienbeschichtungssystems können die Anforderungen an die technische Hallenausstattung deutlich gesenkt werden. So kann auf eine Lüftungsanlage und auf explosionsgeschützte Bereiche verzichtet werden. Die Entwicklung einer automatisierten Applikationsanlage ist geplant. In Kombination mit dem Folienbeschichtungssystem sinkt der Bedarf an Qualitätsüberwachung erheblich. Außerdem sind weniger Mitarbeiter in den Gefahrenbereichen tätig.  

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Projektübersicht Neue Werkstoffe und Verfahren

UW-Kleben
(Laufzeit '17-'19)
Entwicklung eines Verfahrens zum prozesssicheren Kleben von Halterungen unter Wasser - UW-Kleben
Geklebte Anbauteile für WEA-Rotorblätter
(Laufzeit '16-'18)
Kombinierte Schwingfestigkeits-und Klimawechselprüfung von geklebten Anbauteilen für WEA-Rotorblätter
OptiBondFKV
(Laufzeit '16-'18)
Tragfähigkeitserhöhung von geklebten FKV-und Multi-Material-Verbindungen - OptiBondFKV
3D-FKV-Heißpressbauteile - AutoHot3D (Laufzeit '16-'17) Teilautomatisierter Herstellungsprozess für 3D-FKV-Heißpressbauteile - AutoHot3D
Klebtechnisch gefügte Elektroantriebe
(Laufzeit '16-'17)
Realisierbarkeit von hochzuverlässigen klebtechnisch gefügten Elektroantrieben für den Anlagenbau
Flexible Herstellung Distanzpolster
(Laufzeit '16-'17)
Entwicklung eines innovativen Prozesses zur flexiblen Herstellung von Distanzpolstern - DiPoFlex
Qualifizierungsmethoden  Klebverbindungen
(Laufzeit '15-'18)
Qualifizierungsmethoden für Klebverbindungen auf Offshorebeschichtungen – OWS M-V
Beschichtungsoptimierung Offshore-WEAs
(Laufzeit '15-'18)
Partielle Beschichtungsoptimierung für Transport und Montage von Offshore-WEAs – OWS M-V
OptiWind
(Laufzeit '15-'18)
Korrosionsschutz für Offshore-Windenergieanlagen – OptiWind
HALTERKLEBEN
(Laufzeit '15-'17)
Nachbearbeitungsfreies Halterkleben auf Schiff- und Stahlbaubeschichtungen – HALTERKLEBEN
Flexible Herstellungsprozesse
(Laufzeit '15-'16)
Entwicklung flexibler und automatisierter Herstellungsprozesse
CompDeck
(Laufzeit '15)
Integrale Leichtbaudeckssektionen aus Compositewerkstoffen für Binnenfahrgastschiffe – CompDeck
FLEXIFORM 1
(Laufzeit '14-'16)
Wissenschaftliche Begleitung der Entwicklung eines flexiblen Formwerkzeugs – FLEXIFORM 1
E.B.a.F.
(Laufzeit '13-'15)
Entwicklung von CFK-Brückensystemen mit automatisierten Fertigungsverfahren - E.B.a.F
Klebtechnisches Fügen von metallischen Rohrleitungen im Schiffbau
(Laufzeit '13-'15)
Klebtechnisches Fügen von metallischen Rohrleitungen im Schiffbau
GEK-WEA
(Laufzeit '13-'15)
Weltweit einsatzfähige Kleinwindenergieanlage - GEK-WEA
AdaptRo
(Laufzeit '12-'14)
AdaptRo - Adaptives, selbstüberwachendes Ummantelungs- und Legewerkzeug für imprägnierte Faserrovings
T.o.F.f.I.
(Laufzeit '11-'13)
Tragfähigkeitserhöhung orthotroper Fahrbahnplatten durch faserverstärkte Inliner
Recycling von GFK-Rotorblättern
(Laufzeit '11-'12)
Recycling von GFK-Rotorblättern
Fertigungstechnologie von Rührwerkspropellern
(Laufzeit '11-'12)
Optimierung der Fertigungstechnologie von Rührwerkspropellern aus faserverstärktem Kunststoff
Mechanische Prüfung von FVK-Propellern
(Laufzeit '11-'12)
Mechanische Prüfung von FVK-Propellern
Wachstumskern
POLAR TP 1G
(Laufzeit '10-'13)
Experimentelle Optimierung von multi-funktionalen Beschichtungssystemen unter rauen und arktischen Bedingungen
Wachstumskern
POLAR TP 3G
(Laufzeit '10-'13)
Erprobung und Optimierung von Montagevorgängen unter rauen und arktischen Bedingungen
Wachstumskern
POLAR TP 2H
(Laufzeit '10-'13)
Integration von Isolier- und Auflagersystemen in Offshorestrukturen unter rauen und arktischen Bedingungen
Xantener Knabe
(Laufzeit '10)
Entwicklung eines schwingungsgedämpften fahrbaren Sockels für die historische Bronzestatue „Xantener Knabe“
Foliensysteme
(Laufzeit '09-'11)
Entwicklung von Foliensystemen als alternative Korrosionsschutzbeschichtung maritimer Großstrukturen
Faserverbund-Stabwickelbauteile (Laufzeit:'09-'11) Entwicklung von neuen Prüf- und Fertigungsmethoden für große Faserverbund-Stabwickelbauteile
Alterungseinflüsse für eine Museumsfassade
(Laufzeit '09)
Untersuchung von Alterungseinflüssen auf die Eigenschaften unterschiedlicher Dichtstoffe für eine Museumsfassade
Cryo Tank Systems I
(Laufzeit '06-'09)
Cryo Tank Systems: Entwicklung eines integralen tieftemperaturbeständigen Isolierverbundpaneels für LNG auf Kunststoffbasis
Cryo Tank Systems II
(Laufzeit 06- '09)
Cryo Tank Systems: Fertigungskonzept für integrale Verbundpaneele; Konzeption geeigneter Montagetechnologien
Cryo Tank Systems III
(Laufzeit '06-'09)
Cryo Tank Systems: Entwicklung und Evaluierung von Qualitätssicherungs- und Prüfkonzepten für die Fertigung und Montage der Paneele
Cryo Tank Systems IV
(Laufzeit '06-'09)
Cryo Tank Systems: Bedarfsgerechte Aus- und Weiterbildung (A&W)
Hochbelastbare Verbindungen
(Laufzeit: '04-'06)
Entwicklung hochbelastbarer, anforderungsgerechter Verbindungen für Strukturen in Hybridbauweise aus Faserverbundkunststoffen (FVK) und Metall für maritime Applikationen
   

 

Leistungen

  • Gestaltung und Qualifizierung von Klebverfahren und  Klebverbindungen durch Klebstoffauswahl und
  • Oberflächenvorbehandlung sowie Entwicklung von klebtechnischen Prozessen
  • Entwicklung von Automatisierungslösungen für  klebtechnische Anwendungen
  • Entwicklung von Composite-Fertigungsverfahren und -Strukturen
  • Konstruktion und Dimensionierung von Faserverbundbauteilen
  • Kennwertermittlung für Material und Verbindungen durch statische und zyklische Prüfungen sowie Polymeranalytik
  • Analytische und numerische Berechnung von Kleb­verbindungen und Faserverbundstrukturen
  • Spezifikation und Qualifizierung von Korrosionsschutzsystemen
  • Klimasimulation und beschleunigte Laboralterung für Materialien, Beschichtungen, Baugruppen und Prozesse
  • Klebprozessausführung und Bauteilversuche unter simulierten Realbedingungen in einer Klimakammer
  • Entwicklung von Prüfverfahren für kombinierte mechanische und mediale Beanspruchungen für Spezialanwendungen

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
  • Korrosionsprüfkammern
  • UV-Bestrahlungsanlagen
  • Klimaschränke und -öfen
  • Klimakammer für Großversuche (90 m³, -50 bis 60 °C)