Effiziente Prüfung von Wasserstofftank-Wickelsträngen

Projekttitel: Effiziente Prüfung von Wasserstofftank-Wickelsträngen

Ideengeber:

Potenzielle Projektpartner

• Shantanu Bhat, Textiltechnisches Institut der RWTH Aachen University
• Felix Pohlkemper, Textiltechnisches Institut der RWTH Aachen University
• Frank Witte, Teijin Carbon Europe GmbH

Ausgangslage

Welche Situation liegt aktuell wie vor?

Das Wickeln von Hochdrucktanks stellt einen wirtschaftlich hochinteressanten Anwendungsfall technischer Textilien dar. Das Ausnutzen der besonderen Eigenschaften dieser Werkstoffe, um daraus leichte und hochbelastbare Tanks herzustellen, ist Kern einer Vielzahl derzeitiger Forschungsvorhaben und wirtschaftlicher Anstrengungen. Diese Tanks werden aus Garnen gewickelt, sogenannten "Rovings". Rovings sind auf Rollen gewickelte Faserstränge und können so von weiterverarbeitenden Betrieben erworben werden, um daraus Gewebe, Gelege, neuartige Betonbewehrungen oder Hochdrucktanks herzustellen. Vor allem die letzteren beiden Anwendungen sind Objekt moderner Forschung und  haben in der jüngeren Vergangenheit zu einem erhöhten Interesse an belastbarer Materialkennwertermittlung des Ausgangsmaterials geführt. Das Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University und die Grasse Zur Ingenieurgesellschaft mbH haben im Rahmen eines Forschungsvorhabens seit Juli 2020 gemeinsam eine neuartige Vorrichtung und Methode entwickelt, um imprägnierte Rovings effizient und belastbar prüfen zu können.

Welche Bedarfe liegen bei welchen Marktteilnehmern vor?

Garnherstellende Unternehmen: Verbesserte Prüfung hergestellter Chargen. Transparentere Angabe von Faserkennwerten durch vereinheitlichte und vereinfachte normgerechte Prüfung.

Wasserstofftankherstellende Betriebe: Verbesserte Eingangsprüfung angelieferte Chargen durch vereinfachtes und verlässliches System. Somit schnelle Kenntnis über tatsächliche Faserkennwerte zum Zwecke sicherer Auslegung.

Forschungseinrichtungen: Explorative Forschungsmöglichkeiten durch einfache Prüfung und sichere Faserkennwertermittlung. 

Prüflabore: Massive Reduzierung der Zeit, die für die Präparation der Probekörper aufgewendet werden muss. Weiterhin eine verbesserte Skalierbarkeit in Richtung größerer und somit aussagekräftigerer Prüfkampagnen.

Welche Lösungen existieren derzeit für welche Marktteilnehmer? 

Derzeit werden die Zugfestigkeiten von imprägnierten Rovings auf Basis einer Vielzahl verschiedener Normen bestimmt. Die bekanntesten sind die Normen DIN EN ISO 10618, DIN EN ISO 9163 und ASTM D4018. 

Zugfestigkeiten an unimprägnierten Rovings werden u.a. durch Prüfautomaten (z.B. von der TexTechno GmbH & CO KG) oder mit der Einzelfilamentprüfung (ISO 11566) ermittelt.

Weiterhin können Couponproben mit einer Faserorientierung von 0 Grad hergestellt werden, die z.B. nach den Normen DIN EN ISO 527 oder ASTM D3039 geprüft werden.

Weshalb sind diese Lösungen nicht hinreichend genug? 

Coupon-Prüfung: Die Couponprüfung stellt eine zuverlässige Bestimmung der Zugkennwerte technischer Fasern dar. Fasern in einer ebenen Anordnung bilden jedoch nicht das Ausgangsmaterial für die Herstellung gewickelter Geometrien ab. Weiterhin müssen diese Anordnungen erst als Laminate hergestellt werden, was einen zusätzlichen Arbeitsschritt darstellt.

Roving-/ Faserprüfung an unimprägnierten Garnen: Die Prüfung von unimprägnierten Rovings bildet nicht das Einsatzgebiet technischer Fasern ab, welche nur äußerst selten (z.B. in Zuggurten für Lastkräne) ohne eine Kunststoffmatrix Einsatz finden. Weiterhin ist es schwierig, im Falle der Einzelfilamentprüfung vom Werkstoffverhalten des Einzelfilaments auf das Verhalten des Rovings zu schließen. Dies liegt am sog. Größeneffekt endlosfaserverstärkter Gebilde, nach dem eine Abnahme der Zugfestigkeit mit steigender Anzahl der Fasern in Verbindung steht ("Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden", H. Schürmann, Springer 2007).

Roving-Prüfung an imprägnierten Garnen: Die etablierten Methoden können nur bei niedrigen Zugkräften (z.B. aufgrund geringer Anzahl von Roving-Filamenten) zuverlässig einheitliche Werte erzeugen. Beginnen Roving-Durchmesser und Zugkräfte anzusteigen, vergrößert sich auch die Streuung der erreichten Zugfestigkeiten merklich. Es ist aber nicht davon auszugehen, dass die ansteigende Streuung maßgeblich durch den Größeneffekt höherer Filamentzahlen erzeugt wird. Es ist stattdessen der Fall, dass die aktuell etablierten Normen mit Lasteinleitungselementen (teileweise aus Pappe entsprechend den Normen) arbeiten, die eine unzuverlässige Lösung darstellen, da sie dazu tendieren, in der Klemme, am Roving oder an Verjüngungen zu brechen und somit Prüfungen ungültig machen bzw. den Prüfling beschädigen. Die niedrige Zuverlässigkeit der Methode steht in Gegensatz zu ihrem hohen Aufwand.

Was ist der Stand der Technik?

Für höhere Zugkräfte (>2,5 kN) wird die Methode des Angießens von Harzlaschen angewendet. Diese dienen der Einspannung der Prüfkörper in Universal-Zugspannzeuge. 

Ablauf: Zunächst werden die Rovings mithilfe spezieller Tränkanlagen mit einem Harzsystem getränkt und ausgehärtet, sodass Stangen in der Länge von ca. 250 mm entstehen (Gesamtaufwand ca. 1 Arbeitstag inklusive Wartezeiten). Daraufhin werden einzelne Prüflinge in spezielle Formen gelegt. In diese Formen kann nun ein Epoxidharzsystem eingefüllt werden. So entstehen Laschen an den Enden der Prüflinge, die daraufhin in der Form aushärten müssen. Die Anzahl verfügbarer Formen stellt somit den Flaschenhals der Skalierbarkeit einer Prüfkampagne dar. Nach Aushärten der Laschen müssen die neu entstandenen Prüfkörper nochmals getempert werden (Gesamtaufwand ca. 1,5 Arbeitstage inkl. Wartezeiten). Mit dem neuartigen Verfahren fällt die Anbringung der Laschen und somit über 50% der Präparationszeit weg!

Welche themenverwandten Standards, technische Regeln, Normenausschüsse, Gremien, Foren und Konsortien sind Ihnen bekannt bzw. existieren bereits?

Normen: DIN EN ISO 10618, DIN EN ISO 9163, ASTM D4018, ASTM D3039, DIN 65382 (krzl. zurückgezogen), ISO 11566, etc.

Normenausschüsse: Normenausschuss für Kunststoffe, für Textil und Textilmaschinen sowie Luft- und Raumfahrt des DIN

Beschreibung der Vorarbeiten: Handelt es sich um eine Anschubförderung? Inwiefern ist das Produkt bereits entwickelt?

Das AiF-geförderte ZIM-Projekt ZF4746602DN9 findet im Mai 2022 seinen Abschluss. Dessen Ziel ist die fundamentale Verbesserung der Effizienz und Effektivität von Prüfungen an technischen Garnen, sog. Rovings.

Zur Zeit werden Parameterstudien durch die Projektpartner des Instituts für Textiltechnik der RWTH Aachen University durchgeführt. Es liegen bereits zwei Prototypen der neuen Prüfvorrichtung vor.

Ziel ist es im Mai ein marktreifes Produkt vorzulegen, dessen finale technische und wirtschaftliche Bewertung bereits abgeschlossen ist. Die neuartige Methode soll u.a. die Normen DIN EN ISO 10618, DIN EN ISO 9163 und ASTM 4018 obsolet machen.

Inwiefern passt das Thema zu dem von Ihnen ausgewählten DIN-Connect Themenschwerpunkt?

Die sichere und transparente Verfügbarkeit tatsächlich vorliegender Werkstoffkennwerte ist unabdingbar für eine sichere Auslegung von Bauteilen und Baugruppen. Derzeit besteht keine befriedigende Lösung, um das Ausgangsmaterial von gewickelten Wasserstofftanks zu prüfen, obwohl es sich um höchst sicherheitskritische Produkte handelt. Die Förderung des Vorhabens würde die Geschwindigkeit erhöhen, mit der der Standardisierungsprozess durchlaufen werden kann, wodurch die Methode schnellere Marktakzeptanz erreichen wird.

Nutzen

Worin liegt das Optimierungspotential?

Eine genormte, neuartige Prüfmethode für Wasserstofftank-Rovings unterstützt Hersteller und Forschungsinstitutionen, die auf diesem Weg Sicherheit in ihren Designs und Testergebnissen erhalten. So wird die Überprüfbarkeit von Faserkennwerten angelieferten Materials hergestellt und die Qualitätssicherung in Händen der Kunden ermöglicht. Dadurch steigt die Markttransparenz konkurrierender Produkte, die Sicherheit neuer und alter Designs und die Belastbarkeit neuer Materialcharakterisierungen.

Wer profitiert von der Innovation und dem Standard?

Abnehmer von Glas- und Kohlenstofffaser-Rovings für unterschiedlichste Anwendungen, im Speziellen sicherheitskritische Produkte wie Hochdrucktanks.

Forschungsinstitute, die neue Fasern, Schlichten oder Matrixsysteme direkt (auch explorativ) vergleichen und testen wollen.

Prüfinstitute, denen ein Standard an die Hand gegeben wird, der eine signifikante Verringerung des Probenpräparations-Aufwands und der Streuung der Ergebnisse erzeugen wird.

Wie werden die Ergebnisse nach Projektabschluss verwertet?

Die Ergebnisse werden mit Vergleichen anhand der oben beschriebenen, etablierten Normen validiert. Vor Projektbeginn der DIN SPEC- Erstellung sollten die Ergebnisse aus dem Entwicklungsprojekt ZF4746602DN9 bereits vorliegen.

Skizzieren Sie bitte die europäische/internationale Bedeutung

Ein Standard, der nachgewiesenermaßen die Prüfung von Rovings zu einer validen Alternative zu Coupontests (hinsichtlich der Ermittlung der Material-Zugeigenschaften) erhebt, würde einen weltweit einzigartigen Fortschritt auf diesem Gebiet darstellen. Er wird den Nutzern ein besseres Verständnis der von ihnen eingesetzten Materialien ermöglichen und somit potentiell zu einem Marktvorteil führen. Nutzer wären zunächst voraussichtlich deutsche und europäische Unternehmen.

Bestehen Einreichungsmöglichkeiten bei Europäischen und internationalen Normungsorganisationen (CEN/CENELEC/ISO/IEC)?

Bei erfolgreichem Projektabschluss des derzeitigen Entwicklungsprozesses im Mai 2022 ist die Normung im Rahmen des DIN EN ISO- Katalogs fest eingeplant.

Skizzieren Sie bitte die Markt- und gesellschaftliche Relevanz

Profiteure der Standardisierung der oben beschriebenen Methode sind vor allem die entwicklungs- und innovationsstarken Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die im Rahmen der Forschung an Leichtbau, ressourcenschonendem Bauwesen und der neuen Flüssiggastank-Generationen arbeiten. Es wird eine Lücke geschlossen, die sich durch die sehr umständliche Prüfung der Ausgangsmaterialien auszeichnet. So wird die Sicherheit für Hersteller, Käufer und Investoren erhöht.

Kompetenzen und Ressourcen

Die Grasse Zur Ingenieurgesellschaft mbH kann auf über 10 Jahre Erfahrung in der Prüfung von faserverstärkten Kunststoffen zurückblicken. Die Firma bietet weiterhin ein breites Portfolio aus Dienstleistungen wie der Planung und Durchführung von Prüfkampagnen, dem Design und Betrieb von speziellen Prüfständen sowie der Konstruktion standardisierter oder spezieller Prüfvorrichtungen an. Eine neuentwickelte Prüfvorrichtung stellt z.B. der Schubprüfungs-Rahmen dar, der in der Vergangenheit bereits mit der DIN SPEC 4885 eine standardisierte Methode erhalten hat. 

Die Grasse Zur Ingenieurgesellschaft mbH kann auf ihr hauseigenes, DAkkS-akkreditiertes Prüflabor zurückgreifen. Standardmäßig werden hier täglich quasistatische und dynamische Prüfungen an Composites durchgeführt. Probenherstellung und -vorbereitung werden ebenfalls im Haus durchgeführt. Die Dokumentation von Ergebnissen wird mit Fotostation und einem Auflichtmikroskop durchgeführt. Glasübergangstemperatur- und Faservolumengehalts-Bestimmung können ebenfalls durchgeführt werden. Ergänzend liegt eine generelle Laborinfrastruktur vor.

Die Projektpartner bieten weiterhin ein eigenes Prüflabor, welches für Vergleichsversuche herangezogen werden kann, sowie enormes Know-How hinsichtlich der Besonderheiten von technischen Textilien und der Herstellung gewickelter textiler Halbzeuge. 

Standardisierungsscope

Die geplante DIN SPEC definiert Anforderungen an und/oder liefert Informationen zu Anwendungsbereich, Prinzip, Prüfmethode, Prüfvorrichtung und Durchführung von Zugprüfungen an getränkten Glas- und Kohlenstofffaser-Rovings für Hersteller, Verarbeiter und Prüfeinrichtungen von technischen Textilien.

Sind folgende Aspekte potentiell betroffen?

Umweltschutz: Die belastbare Kenntnis über die Materialkennwerte der Hochleistungsmaterialien in der Tankherstellung ermöglich die Auslegung besonders leichter und somit umweltschonender Hochdrucktanks.