Composite-Druckbehälter während einer Untersuchung mittels Impuls-Echo-Verfahren
Quelle: BAM
Typ-4-Druckbehälter, die aus einem Polymer-Liner und einer lasttragenden Composite-Struktur bestehen, finden aufgrund ihres hohen Gewichtseinsparpotenzials zunehmend Einsatz in verschiedenen Bereichen, z. B. zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff oder von Atemluft. Dieser Typ der Composite-Druckbehälter wird meistens im sogenannten Nasswickelverfahren gefertigt, das durch eine hohe Komplexität aufgrund zahlreicher Prozessparameter und physikalischer Effekte charakterisiert ist. Die fertigungsbedingten Einflüsse führen zur Streuung der Eigenschaften von fertigen Komponenten und beeinflussen das Sicherheitsniveau der Druckbehälter.
In einer vorangegangenen Studie wurden zwei Designs von 6,8-Liter-Composite-Druckbehältern hergestellt. Die Behälter-Geometrie, der Lagenaufbau der Composite-Struktur und die verwendeten Materialien waren bei beiden Designs gleich. Der einzige Variationsparameter war der Druck im Polymer-Liner während des Wickelns: eine Variante wurde mit einem konstanten und eine andere Variante mit einem ansteigenden Innendruck gewickelt. Ziel der Innendruckregelung war es, einen gleichmäßigeren Eigenspannungszustand zu erreichen und mögliche Faserondulationen zu minimieren. Es wurde festgestellt, dass die Variante, die mit ansteigendem Innendruck gewickelt wurde, ein höheres Sicherheitsniveau aufweist. Das Potenzial zur Erhöhung des Sicherheitsniveaus war jedoch durch das Versagen in Kreuzwicklungen limitiert, welches mit einer Analyse des Dehnungszustands nicht erklärt werden konnte.
Das vorgestellte Paper zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung der fertigungsbedingten Imperfektionen mit dem zerstörungsfreien Impuls-Echo-Verfahren. Die Methode erlaubte eine schnelle Identifizierung der Imperfektionen, die für das Versagen der Druckbehälter verantwortlich waren. Das Paper betont sowohl das Potenzial für den Einsatz des Impuls-Echo-Verfahrens zur Charakterisierung der Imperfektionen in sicherheitsrelevanten Composite-Bauteilen als auch die Notwendigkeit einer vertieften Analyse des Einflusses von fertigungsbedingten Imperfektionen auf die Sicherheit von Typ-4-Druckbehältern.
Die Untersuchungen wurden im Rahmen des Graduiertenkollegs „Trustworthy Hydrogen“ und des BMFTR-geförderten Projektes „Aufbau einer APRA-Forschungspräsenz für Sicherheitsforschung zur Wasserstoffsicherheit zwischen Deutschland und Südkorea“ am Measurement Robotics & Diagnostic AI Lab des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) durchgeführt. Auf der Seite des MAI-Lab wurde die Arbeit von der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt (MSIT, RS-2024-00397400).
Impact of internal pressure regulation in filament winding on the quality of composite cylinders: a study with pulse-echo ultrasonic propagation imaging
Bartosz Popiela, Kyunghwan Kim, Kyu-Jin Lee, Jung-Ryul Lee
Advanced Composite Materials, 2025