Im Projekt „HYTANK“ hat das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM Technologien für die Produktion großformatiger, doppelwandiger Wasserstofftanks aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) entwickelt. Ziel war es, die Voraussetzungen für eine künftige industrielle Fertigung leichter, dichter und unter kryogenen Bedingungen zuverlässiger Tankstrukturen zu schaffen, wie sie emissionsfreie Luftfahrtantriebe benötigen.
Auf der ILA 2026 in Berlin präsentierte das Fraunhofer IFAM die Ergebnisse an einem maßstabsgetreuen Modell der automatisierten Bearbeitungs- und Montageanlage sowie an einem vorbehandelten und barrierebeschichteten Tanksegment im Originalmaßstab. Die Arbeiten umfassten die Vorbehandlung der Oberflächen, funktionelle Barrierebeschichtungen sowie die automatisierte Bearbeitung und das klebtechnische Fügen der Tankstrukturen.
Tiefkalter Wasserstoff fordert leichte und dichte CFK-Strukturen
Flüssiger Wasserstoff zählt zu den aussichtsreichen Energieträgern für künftige Luftfahrtantriebe, doch seine Speicherung ist anspruchsvoll. Bei Temperaturen bis minus 253 Grad Celsius muss ein Tank dauerhaft dicht und strukturell belastbar bleiben, ein geringes Gewicht halten und mechanischen wie thermischen Belastungen widerstehen. Carbonfaserverstärkter Kunststoff bringt dafür günstige Voraussetzungen mit, stellt aber zugleich hohe Anforderungen an Auslegung, Fertigung und Fügetechnik, weil kryogene Temperaturen, Druckbelastungen und der Verbund unterschiedlicher Werkstoffe angepasste Konstruktions- und Prozesskonzepte verlangen.
Auf diese Ausgangslage antwortete das Fraunhofer IFAM mit einem integrierten Ansatz, der die wesentlichen Prozessschritte von der Vorbehandlung der Oberflächen über die Barrierebeschichtung bis zur automatisierten Bearbeitung und Montage verbindet. Die einzelnen Schritte sind so aufeinander abgestimmt, dass großformatige CFK-Tankstrukturen leichter, dichter und in der industriellen Fertigung beherrschbarer werden sollen.
Vorbehandelte Oberflächen und Barriereschichten sichern das Vakuum
Damit die nachfolgenden Schichten zuverlässig funktionieren, ist eine reproduzierbar hohe Haftfestigkeit auf dem Substrat erforderlich. Angestrebt wurde ein kombinierter Vorbehandlungs- und Beschichtungsprozess, der die Barrierewirkung gegenüber eindringender Feuchtigkeit und Ausgasungsprodukten aus dem Faserverbund erhöht und so das isolierende Vakuum zwischen Innen- und Außenhülle dauerhaft stabilisiert. Aus der Herstellung verbleiben jedoch haftkritische Trennmittelrückstände an der Oberfläche, die entfernt oder gezielt modifiziert werden müssen, ohne die Matrix zu schädigen oder Fasern freizulegen. Im Vergleich prüfte das Institut dazu Vakuumsaugstrahlen, Atmosphärendruck-Plasmabehandlung, VUV-Bestrahlung und Laserbehandlung, von denen sich drei Verfahren als grundsätzlich geeignet erwiesen.
Welches Verfahren sich im Einzelfall am besten eignet, hängt von Bauteilgeometrie, Zugänglichkeit, verfügbarer Bearbeitungszeit, dem verwendeten CFK-Material sowie Art und Menge der Trennmittel ab. Vorteile boten vor allem trockene, berührungslose und materialschonende Verfahren. So erhöht die Atmosphärendruck-Plasmabehandlung Benetzbarkeit und Haftung, ohne die Oberfläche stark thermisch oder mechanisch zu belasten, während die Vakuum-UV-Bestrahlung sie über den Eintrag polarer funktioneller Gruppen aktiviert und die Laserbehandlung sie präzise reinigt und aktiviert. Insgesamt erwies sich die Vorbehandlung als entscheidender Hebel für die prozesssichere Funktion der nachfolgenden Beschichtungen auf großen CFK-Strukturen.
Auf der so vorbereiteten Oberfläche entwickelte das Fraunhofer IFAM Barrierebeschichtungen, welche die Gasdurchlässigkeit polymerbasierter Tanksysteme verringern können. Sie sollen das Austreten von Wasserstoff begrenzen und zugleich das Eindringen atmosphärischer Gase wie Sauerstoff oder Feuchtigkeit reduzieren. Damit könnten sie doppelt wirken, indem sie zur Betriebssicherheit beitragen und das wärmeisolierende Vakuum in den doppelwandigen Tankstrukturen unterstützen.
Grundlage sind polymere Bindemittel mit integrierten Barrierepigmenten. Über die gezielte Gestaltung der Schichtstruktur verlängert sich der Weg, den Gasmoleküle zurücklegen, wodurch sich die Permeation verringern lässt. Weil sich die Beschichtungen mit etablierten Lackierverfahren auch auf komplexe Geometrien auftragen lassen, erscheint eine Übertragung in industrielle Prozesse denkbar. Ihre Leistungsfähigkeit prüfte das Institut unter anderem mit Permeationsmessungen, Kryozyklierung und REM-Analysen, wobei vor allem die Übertragung der Schichtsysteme auf reale Tankgeometrien, die Prozessstabilität und das Verhalten unter kryogenen Bedingungen betrachtet wurden. Die Ergebnisse sprechen dafür, Leichtbaumaterialien künftig verstärkt in Wasserstofftanks einzusetzen und damit Gewicht und Energieaufwand zu verringern, über die Luftfahrt hinaus auch in Mobilität und Wasserstoffinfrastruktur.
Modulare Anlage fügt CFK-Tankbauteile im Originalmaßstab
Für eine prozesssichere Fertigung großvolumiger Tanks entwickelte das Fraunhofer IFAM Technologien zur mechanischen Bearbeitung von Funktionsflächen, zur präzisen Positionierung der Fügepartner und zur automatisierten Klebstoffapplikation, um die Teilkomponenten kontrolliert zu einem geschlossenen Innentank zu fügen. Erprobt wurden die Verfahren im Originalmaßstab an großformatigen Bauteilen. Für die Montage erarbeitete das Institut ein durchgängiges Konzept für einen rund sechs Meter langen Doppelwandtank mit Innen- und Außentank, integrierter Innenstruktur und Isolierung.
Große Bauteilabmessungen, biegeschlaffe Zylinder aus CFK, enge Toleranzanforderungen und lange Aushärtezeiten verlangten ein präzise abgestimmtes und skalierbares Montagekonzept. Die Wahl fiel auf ein modulares System auf Linearachsen mit parallel angeordneten Handhabungs- und Fügeprozessen, ergänzt um eine messtechnisch qualifizierte Validierungsplattform mit linear verfahrbaren Aufnahmesystemen. An ihr ließen sich zentrale Größen des Fügens untersuchen, etwa das Standverhalten des Strukturklebstoffs, die Einstellung von Überlapp- und Spaltverhältnissen sowie das Verpressverhalten der Fügepartner, wobei sich der Einfluss von Form- und Lagetoleranzen auf die Prozessstabilität deutlich zeigte.
HYTANK: Entwicklung von CFK LH₂ Tanks für emissionsfreies Fliegen
Das klebtechnische Fügen auf gekrümmten Flächen löste das Institut mit einem eigens entwickelten, robotergeführten Endeffektor, der über Rollenführung und Federmechanismus einen konstanten Düsenabstand hielt und den Klebstoff so reproduzierbar auftrug. Nach der Applikation brachte ein Schienensystem der Montageanlage die Fügepartner automatisiert in Position und fügte sie, ehe Heizmatten die Aushärtung des Klebstoffs beschleunigten. Insgesamt belegen die Versuche, dass sich Bearbeitung, Positionierung und Klebung großer Bauteile aus CFK grundsätzlich automatisieren lassen, während für den industriellen Einsatz vor allem robuste Strategien zum Toleranzmanagement, zur reproduzierbaren Spalteinstellung und zur prozesssicheren Klebstoffapplikation noch weiterzuentwickeln sind.
Gefördert wurde „HYTANK“ (Förderkennzeichen 20W2214D) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Programm LuFo VI-3, fachlich betreut vom Projektträger Luftfahrtforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Unter Verbundführung von Airbus Operations wirkten Broetje-Automation, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, das Faserinstitut Bremen, FFT Produktionssysteme, die Fraunhofer-Gesellschaft und die Technische Universität Dresden mit. Die erarbeiteten Verfahren sollen Wasserstofftanks aus CFK nicht allein für die Luftfahrt, sondern perspektivisch auch für Schifffahrt und Wasserstoffinfrastruktur leichter, dichter und industriell beherrschbarer machen.
