Ein persönlicher Rückblick von Dr. Farbod Nezami
Wenn ich auf die vergangenen Jahre bei CIKONI zurückblicke, gibt es nur wenige Technologiefelder, die unsere Entwicklung so kontinuierlich begleitet haben wie Composite-Tanks und anspruchsvolle Speichersysteme aus Faserverbundwerkstoffen.
Dabei ist der Begriff „Drucktank“ inzwischen fast zu eng geworden. Unsere Projekte reichen heute von klassischen Hochdruckspeichern für gasförmigen Wasserstoff über Strukturen für extreme Druckverhältnisse in der Tiefsee bis zu kryogenen Tanks für Flüssigsauerstoff und Flüssigwasserstoff in Luft- und Raumfahrtanwendungen. Wir beschäftigen uns mit zylindrischen Tanks, Kugeltanks und Toroiden ebenso wie mit bauraumadaptiven Geometrien. Manche Strukturen sind nur wenige Zentimeter groß, andere mehrere Meter.
So unterschiedlich diese Anwendungen sind, verbindet sie eine grundlegende Herausforderung: Hochleistungs-Faserverbundstrukturen lassen sich nicht isoliert als Bauteil entwickeln. Werkstoff, Laminataufbau, Fertigungsprozess, Maschine, Qualitätskontrolle und Simulation beeinflussen sich gegenseitig. Genau darin liegt für mich eine der wichtigsten Erkenntnisse aus mehr als zehn Jahren Arbeit in diesem Bereich.
Die Geschichte begann schon vor CIKONI
Die technologischen Wurzeln reichen sogar weiter zurück als unsere Gründung im Jahr 2015. Einer der Mitgründer hatte sich zuvor am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt intensiv mit neuartigen Composite-Druckspeichern beschäftigt. Anders als klassische zylindrische Druckbehälter sollte sich dieser „Wabentank“ deutlich besser an den verfügbaren Bauraum eines Fahrzeugs anpassen. Das Projekt wurde mehrfach ausgezeichnet. Als wir CIKONI 2015 gründeten, war damit bereits ein tiefes Verständnis vorhanden, wie eng die Entwicklung eines Composite-Speichers mit Fertigungsverfahren und Strukturkonzept zusammenhängt.
Wir entschieden uns deshalb früh, diese Kompetenz systematisch weiterzuentwickeln.
Der erste Schwerpunkt: Entwicklungsmethoden, die den realen Tank abbilden
Zu Beginn stand für uns vor allem eine Frage im Vordergrund: Wie lässt sich ein Composite-Tank so simulieren, dass die Berechnung nicht nur eine idealisierte Struktur beschreibt, sondern den Tank, der später tatsächlich aus der Fertigungsanlage kommt? Normen, Zulassungsanforderungen und analytische Berechnungsmethoden bilden selbstverständlich eine wichtige Grundlage. Für eine konsequente Leichtbau- und Kostenoptimierung reicht das jedoch nicht aus.
Denn Composite-Druckbehälter können auf sehr unterschiedliche Weise hergestellt werden. Filament Winding mit Nassrovings oder Towpregs gehört zu den etablierten Verfahren. Andere Konzepte kombinieren Wickelprozesse mit geflochtenen Preforms, RTM-Prozessen oder lokalen Verstärkungsverfahren.
Jeder dieser Prozesse erzeugt einen spezifischen Laminataufbau. Gerade bei gewickelten Behältern wird das im Dombereich offensichtlich. Faserwinkel, lokale Laminatdicke, Ablagemuster, Überdeckungen und Kompaktierung entwickeln sich aus der Kinematik des Wickelprozesses. Das reale Laminat weicht damit zwangsläufig von einem idealisierten Schichtenmodell ab.
Wenn aber genau diese Effekte darüber entscheiden, wo Fasermaterial tatsächlich benötigt wird, müssen sie auch in die Struktursimulation einfließen. Deshalb haben wir über die Jahre eine eigene Toolchain aufgebaut, mit der sich Fertigungsinformationen aus unterschiedlichen Quellen in FE-Modelle übertragen lassen. Dazu gehören unter anderem Daten aus Wickelsimulationen und optischen 3D-Messungen. Ergänzt wird dies heute durch Methoden zur Kompaktierungssimulation, Materialmodellierung und Multiskalensimulation.
Das Ziel ist nicht Simulation um ihrer selbst willen. Entscheidend ist, eine belastbare Verbindung zwischen Prozess und Strukturverhalten herzustellen. Unser heutiger Entwicklungsansatz für CFK-Druckbehälter beschreibt diesen durchgängigen digitalen Prozess von der Wickelsimulation bis zur Strukturberechnung ausführlicher. Entwicklung von CFK-Hochdruckbehältern für die Wasserstoffspeicherung bei CIKONI
Diese Verbindung zwischen Fertigung und Simulation wurde später auch für einen zweiten Entwicklungsschritt entscheidend.
Warum wir begonnen haben, Drucktanks lokal zu verstärken
Bei der Optimierung gewickelter Composite-Druckbehälter stößt man irgendwann auf eine grundlegende Restriktion des Fertigungsverfahrens. Beim klassischen Filament Winding wird ein kontinuierlicher Roving um den Tank geführt. Über die koordinierte Rotation des Bauteils und die Bewegung der Fadenführung lassen sich Faserwinkel sehr gezielt einstellen. Was sich jedoch nur eingeschränkt realisieren lässt, ist eine wirklich lokale Materialablage.
Die Faser beginnt schließlich nicht an einer hoch belasteten Stelle und endet unmittelbar dahinter. Sie läuft weiter um das Bauteil. Für den klassischen Composite-Leichtbau ist das ungewöhnlich. Bei vielen anderen Faserverbundstrukturen gehören lokale Patches, Verstärkungen und gezielte Dickensprünge selbstverständlich zum konstruktiven Instrumentarium. Material wird dort eingesetzt, wo Lasten es erfordern.
Beim Wickeln ist genau diese lokale Anpassung schwierig. Besonders relevant wird das am Übergang zwischen Zylinder und Dom. Um den Dom ausreichend zu verstärken, werden Wickellagen benötigt, die gleichzeitig zusätzliches Material in Bereiche des Behälters einbringen, in denen dieses aus struktureller Sicht teilweise gar nicht erforderlich wäre.
Für uns war deshalb die logische Frage: Warum akzeptieren wir diese Restriktion als gegeben?
Gemeinsam mit Partnern begannen wir, lokale Verstärkungen für den Dombereich zu entwickeln. Damit entstand gleichzeitig eine doppelte Entwicklungsaufgabe. Einerseits musste eine industriell geeignete Fertigungstechnologie zur Integration lokaler Verstärkungen gefunden werden. Andererseits mussten Simulations- und Auslegungsmethoden entstehen, mit denen diese Verstärkungen zuverlässig dimensioniert und mit dem anschließend gewickelten Laminat gekoppelt werden können.
Gemeinsam mit Cevotec und Roth Composite Machinery konnten wir diesen Ansatz schließlich an einem industriellen Composite-Drucktank realisieren und experimentell validieren. Das Ergebnis war erheblich: Im demonstrierten Tankkonzept konnte der Einsatz von Fasermaterial um 15 Prozent reduziert werden. Gleichzeitig stieg die Speichereffizienz um 17 Prozent, bei vergleichbarer mechanischer Leistungsfähigkeit.
Für diese gemeinsame Entwicklung wurden Cevotec, Roth Composite Machinery und CIKONI 2024 mit dem CAMX Combined Strength Award ausgezeichnet. CAMX würdigte damit explizit die Composite Tank Dome Reinforcements aus dem gemeinsamen Industrieprojekt. Auch JEC hat den Ansatz der lokalen Domverstärkung und sein Potenzial zur Reduktion des Carbonfasereinsatzes aufgegriffen. JEC: Enabling superior storage efficiency for Type 4 tanks with FPP dome reinforcements
Für mich ist daran jedoch weniger der Award entscheidend als die technologische Konsequenz. Wir sind überzeugt, dass die nächste Generation kostenoptimierter Composite-Druckbehälter das Potenzial lokaler Verstärkungen wesentlich konsequenter nutzen wird. Carbonfaser ist ein erheblicher Kostenfaktor eines Hochdruckspeichers. Wenn es gelingt, Material gezielt aus Bereichen zu entfernen, in denen es strukturell wenig beiträgt, verändert sich nicht nur das Tankgewicht. Es verändert sich die Wirtschaftlichkeit des gesamten Speichersystems.
Natürlich kommen zusätzliche Prozessschritte, Investitionen in Anlagentechnik und höhere Anforderungen an die Auslegung hinzu. Aus unserer Sicht stehen diesen Aufwänden aber erhebliche Potenziale bei Materialeinsatz, Speichereffizienz und Zykluszeit gegenüber. Die Frage lautet deshalb nicht mehr grundsätzlich, ob lokale Verstärkungen funktionieren. Die interessantere Aufgabe besteht inzwischen darin, sie für konkrete Tankarchitekturen, Stückzahlen und Fertigungssysteme optimal auszulegen.
FEM-Simulation allein reicht nicht: Unser Weg in die robotergestützte Fertigung
Parallel zu diesen Arbeiten wurde für uns immer offensichtlicher, dass eine leistungsfähige Simulationsumgebung allein nicht genügt. In vielen Entwicklungsprojekten müssen Varianten schnell gefertigt und getestet werden. Ein Wickelwinkel soll verändert, ein anderes Materialsystem verarbeitet oder eine neue Linergeometrie untersucht werden. In solchen Situationen ist maximale Produktionsgeschwindigkeit nicht die entscheidende Größe.
Entscheidend ist Flexibilität. Deshalb begannen wir bereits 2018 mit dem Aufbau eigener Wickelanlagen.
Statt ausschließlich auf eine klassische Produktionsmaschine zu setzen, entwickelten wir Hardware und Software selbst. Dadurch können unsere Ingenieurinnen und Ingenieure die Anlagen auf die jeweilige Entwicklungsaufgabe anpassen, neue Prozessmodule integrieren und auch ungewöhnliche Wickelaufgaben realisieren.
Heute reicht diese Kompetenz vom CFK-Spulengatter über Harzbäder und Fadenführungen bis zu mehrachsigen robotergestützten Faserapplikatoren. Auch vor- und nachgelagerte Prozessschritte können in die Anlagenumgebung integriert werden.
Wir können Nasswickelsysteme ebenso verarbeiten wie Towpregs und unterschiedliche Verstärkungsfasern einsetzen. Das Ergebnis ist keine auf maximalen Seriendurchsatz optimierte Produktionslinie, sondern eine hochflexible R&D-Umgebung.
Für unsere Entwicklungsarbeit ist genau das entscheidend: Wir können eine Hypothese in der Simulation entwickeln, den Fertigungsprozess darauf abstimmen, einen Demonstrator herstellen, vermessen und die Ergebnisse wieder in das Modell zurückführen. Damit schließt sich ein Kreis, den wir bereits bei unseren ersten Arbeiten an Composite-Tanks für wesentlich hielten.
Qualität ist keine nachgelagerte Prüfung
Wer längere Zeit mit gewickelten Composite-Strukturen arbeitet, stellt irgendwann fest, dass ein weiterer Faktor mindestens ebenso wichtig ist wie eine gute nominale Auslegung: Prozessstabilität. Ein Composite-Tank ist nur so gut wie das Laminat, das tatsächlich auf dem Bauteil entsteht.
Faserorientierungen können vom Sollwert abweichen. Bänder können verschoben sein, Lücken oder Überdeckungen entstehen. Beim Nasswickeln verändert eine schwankende Harzaufnahme den Faservolumengehalt und damit sowohl Gewicht als auch mechanische Eigenschaften des Laminats.
Deshalb haben wir begonnen, Qualität nicht erst am fertigen Bauteil zu untersuchen, sondern während seiner Entstehung.
Unser ursprünglich für flächige Composite-Strukturen entwickeltes optisches DrapeWatch-System wurde dafür auf Wickelprozesse übertragen und zu einer Prozessüberwachung für gewickelte Bauteile weiterentwickelt. Heute überwacht die Technologie unter anderem Faserorientierungen, Bandpositionen und Ablageabweichungen während des Prozesses. In unserer aktuellen Toolchain führen wir diesen Ansatz als TowSight – also ein System zur automatisierten Qualitätskontrolle der Fadenablage.
Der zweite zentrale Parameter ist die Harzaufnahme. Bei Nasswickelprozessen bestimmt sie wesentlich den entstehenden Faservolumengehalt. Zu viel Harz erhöht Gewicht und Materialeinsatz, ohne einen entsprechenden strukturellen Nutzen zu erzeugen. Zu wenig Harz kann dagegen unzureichende Imprägnierung, Porosität und damit erhebliche Qualitätsprobleme verursachen. Mit unserer patentierten In-Prozess-Technologie ResInspect messen wir die Harzaufnahme deshalb kontinuierlich während des Wickelprozesses. Damit entstehen aus unserer Sicht zwei interessante Perspektiven.
- Die erste ist offensichtlich: Bestehende und neue Wickelanlagen können um kontinuierliche Qualitätssicherung erweitert werden.
- Die zweite ist für die Entwicklung fast noch spannender: Die real gemessenen Prozessdaten können wieder in unsere Simulationsmodelle einfließen.
Wenn wir beispielsweise lokale Faserwinkel, Laminatdicken oder Faservolumengehaltsgradienten messen und mit Kompaktierungs- und Struktursimulationen kombinieren, entsteht sukzessive ein wesentlich realistischeres digitales Abbild des gefertigten Bauteils.
Diese Verbindung aus multidisziplinärer Simulation und Echtzeit-Prozessüberwachung wurde inzwischen auch von CompositesWorld aufgegriffen. CIKONI: Wir verschieben die Grenzen im Leichtbau. Für mich liegt hier eine der interessantesten Entwicklungen der kommenden Jahre: Qualitätssicherung wird von einer nachgelagerten Kontrolle zunehmend zu einem integralen Bestandteil von Entwicklung, Prozessregelung und digitalem Bauteilmodell.
Vom Wasserstoffdrucktank zum Composite-Speichersystem
Diese Methoden sind längst nicht auf klassische Wasserstoff-Hochdrucktanks begrenzt. Gerade das macht dieses Technologiefeld für uns so interessant.
Aktuell arbeiten wir beispielsweise an Strukturen für Deep-Sea-Anwendungen, bei denen mehrere Herausforderungen gleichzeitig auftreten: Drücke in mehreren tausend Metern Wassertiefe, kombinierte Innen- und Außendrucklasten, niedrige Temperaturen und der dauerhafte Kontakt mit Salzwasser.
Am anderen Ende des Anwendungsspektrums stehen Luft- und Raumfahrtanwendungen. Für ein europäisches Space-Unternehmen entwickeln wir beispielsweise einen ultraleichten, linerlosen Tank für kryogenen Flüssigsauerstoff, LOX. Hier treffen extreme Leichtbauanforderungen auf sehr niedrige Temperaturen, thermomechanische Lasten und die besonderen Anforderungen eines hochreaktiven Oxidationsmittels. In einem anderen Entwicklungsumfeld beschäftigen wir uns gemeinsam mit einem deutschen Flugzeughersteller mit Flüssigwasserstoff, LH2.
Damit verändert sich auch die Entwicklungsfrage grundlegend. Bei einem 700-bar-Wasserstofftank steht eine andere Kombination aus Lastfällen, Permeation, Werkstoffauswahl und Fertigung im Vordergrund als bei einem kryogenen Flüssigspeicher. Die zugrunde liegende Engineering-Philosophie bleibt jedoch dieselbe:
Wir müssen Werkstoff, Struktur, Prozess, Qualität, unternehmerische Ziele und Systemanforderungen gemeinsam betrachten.
Und auch geometrisch endet die Welt nicht beim zylindrischen Tank. Wir haben bei CIKONI mittlerweile zylindrische Speicher ebenso entwickelt wie Kugel- und Toroidaltanks. Und manchmal schließt sich sogar ein Kreis: Auch bauraumadaptive, annähernd boxförmige Druckspeicher spielen weiterhin eine Rolle.
Was wir aus zehn Jahren Composite-Tanks mitnehmen
Wenn ich unsere Entwicklung in diesem Bereich auf eine Erkenntnis reduzieren müsste, wäre es diese:
Die nächste Generation von Composite-Speichersystemen wird nicht durch eine einzelne Technologie entschieden.
- Eine bessere FEM allein reicht nicht.
- Eine schnellere Wickelmaschine allein reicht nicht.
- Ein neues Verstärkungsverfahren allein reicht nicht.
- Und auch zusätzliche Sensorik allein macht aus einem Prozess noch keinen robusten industriellen Fertigungsprozess.
Das wirkliche Potenzial entsteht dort, wo diese Disziplinen miteinander verbunden werden. Genau deshalb haben wir bei CIKONI über die Jahre nicht nur Know-how in der Produktentwicklung von Faserverbundtanks aufgebaut. Wir entwickeln Simulations- und Softwaremethoden, konstruieren und bauen Fertigungstechnik, entwickeln Automatisierungslösungen und integrieren Qualitätstechnologien – unser Ziel ist dabei eine möglichst ganzheitliche und kundenindividuelle Lösungsperspektive.
Unsere ausführlichere Betrachtung der verschiedenen Hebel zur Kostenreduktion bei Composite-Druckbehältern zeigt, wie eng diese Themen inzwischen zusammengehören. Strategien zur Kostensenkung im Design und in der Fertigung von Composite-Druckbehältern
Gleichzeitig wissen wir, dass niemand komplexe Hochtechnologie allein entwickelt. Ein wesentlicher Bestandteil unserer Arbeit ist deshalb das internationale Netzwerk aus spezialisierten Materialherstellern, Maschinenbauern, Technologieunternehmen, Forschungspartnern und Prüfeinrichtungen, mit denen wir seit Jahren erfolgreich und gerne zusammenarbeiten. Projekte wie die gemeinsame Entwicklung der lokalen Domverstärkung mit Cevotec und Roth Composite Machinery zeigen aus meiner Sicht sehr gut, was durch eine solche Zusammenarbeit möglich wird.
Unsere Aufgabe sehen wir darin, diese Kompetenzen mit unseren eigenen Entwicklungswerkzeugen, Fertigungsmöglichkeiten und vor allem mit den Ingenieurinnen und Ingenieuren bei CIKONI zusammenzubringen.
Von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern.
Von kugelförmig bis bauraumadaptiv.
Von Hochdruck bis Kryogen.
Und inzwischen tatsächlich von mehreren tausend Metern unter Wasser bis ins Weltall.
Wir freuen uns darauf, diesen Weg gemeinsam mit ambitionierten Technologieunternehmen weiterzugehen und dort mitzuentwickeln, wo etablierte Lösungen an ihre Grenzen kommen. Nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf.
