Strategien zur Kostensenkung im Design und in der Fertigung von Composite-Druckbehältern (COPV)

Composite Overwrapped Pressure Vessels (COPVs) – wie sie für die Speicherung von Wasserstoff (H₂) und komprimiertem Erdgas (CNG) eingesetzt werden – sind elementar für saubere Energie und Mobilität. Allerdings sind die hohen Kosten für Carbonfaser und die Fertigung der Drucktanks ein maßgeblicher Kostenfaktor, sodass die Kostenreduktion für Ingenieure und technische Entscheidungsträger höchste Priorität hat.

Dieser Artikel behandelt wissenschaftlich-technische Ansätze zur Senkung der Kosten in der Entwicklung und Produktion von COPVs. Dazu gehören:

• Simulationgetriebene Laminatoptimierung
• Hochauflösende Simulation zur Verringerung physischer Testzyklen
• Minimierung des Carbonfaserverbrauchs durch gezieltes Design (z. B. lokale Domverstärkungen)
• Frühzeitige Integration von Automatisierung und Fertigungsaspekten
• Kontrolle des Harzanteils beim Filament-Winding (Resin Uptake)
• In-Prozess-Qualitätsüberwachung (CWPWatch)

Wir werden zeigen, wie diese Methoden die Effizienz steigern, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen – und wie ein ganzheitlicher Engineering-Partner wie CIKONI Sie von der Konzeptphase bis zur Serienfertigung unterstützen kann.

Herausforderung: Kosten und Komplexität bei Composite-Druckbehältern

Das Design von Composite-Druckbehältern (Typ III, Typ IV und künftig Typ V) erfordert einen komplexen Balanceakt: Die Systeme müssen extremen Drücken (bis 700 bar für H₂, ca. 350 bar für CNG) standhalten und dennoch möglichst leicht sein. Carbonfaser bietet hierfür das beste Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, ist jedoch kostenintensiv. Effizienter Materialeinsatz ist daher unerlässlich.

Obwohl die zylindrische Geometrie mit gewölbten Dome-Enden auf den ersten Blick einfach erscheint, führt sie zu komplexen Faserpfaden und anisotropem Materialverhalten. Schon kleine Abweichungen in Faserorientierung oder Schichtaufbau können die Leistung stark beeinflussen. Fertigungsbedingte Fehlanpassungen oder Überlappungen (z. B. im Dome) reduzieren die Festigkeit erheblich. Kostenreduktion muss daher durch intelligentes Design – das Material nur dort einsetzt, wo es gebraucht wird – und durch prozessoptimierte Abläufe erfolgen, um Ausschuss und Nacharbeit zu vermeiden.

Zu den Hauptkostenfaktoren zählen neben dem Verbundwerkstoff selbst auch Hilfskomponenten wie On-Tank-Valves (OTV) sowie Entwicklungsaufwand, Arbeitszeit und Zyklusdauer beim Filament-Winding und die Anzahl der Prototypen- bzw. Testzyklen. Im Folgenden werden Strategien vorgestellt, um diese Kostenpunkte gezielt anzugehen:

• Simulationgetriebene Laminatoptimierung, um Überdimensionierung zu vermeiden und frühzeitig potenzielle Probleme zu identifizieren
• Hochauflösende Simulationen, um physische Testzyklen zu reduzieren
• Fortschrittliches Laminatdesign (z. B. lokale Faserplatzierung im Dome), um Carbonfaser einzusparen
• Design for Manufacturing und Automatisierung von Beginn an, um die Produktion zu straffen
• Prozesskontrolle (Harzgehalt, Faseralignment, Spaltkontrolle) zur Vermeidung von Ineffizienzen
• Qualitätsüberwachung zur frühzeitigen Erkennung von Defekten

Mit diesen Ansätzen konnten in jüngsten Projekten zweistellige Einsparungen beim Materialverbrauch und eine gesteigerte Leistung erzielt werden. So reduzierte die Kombination aus lokalen Dome-Verstärkungen und optimierter Wickelschichtfolge in einem Projekt von CIKONI den Carbonfaserbedarf um 15 % und steigerte gleichzeitig das nutzbare Speichervolumen um 17 %.

Simulationgetriebene Laminatoptimierung

Finite-Elemente-Analyse (FEA) und Optimierungsalgorithmen ermöglichen es, die Laminataufbaureihenfolge (Schichtfolge und Faserorientierungen) virtuell so anzupassen, dass der Materialeinsatz minimiert wird und alle Festigkeitsanforderungen erfüllt sind. Mithilfe physikbasierter Versagenskriterien lassen sich die leichtesten Kombinationen aus Umlauf- (Hoop-) und Spiralwickellagen ermitteln, die das Berstdruckziel erreichen.

CIKONI verwendet sowohl analytische als auch numerische Methoden, um maßgeschneiderte Laminatstrukturen für Zylinderkörper und Dome zu entwickeln. Die Simulation stützt sich dabei auf hochpräzise Materialmodelle („Material Cards“), die anisotropes Verhalten und realistische Faser-Grundlagen abbilden. Iterative virtuelle Designschleifen reduzieren die Zahl physischer Prototypen und liefern bereits G-Code für den Wickelprozess.

Eine zentrale Innovation ist die Kopplung von Wickelsimulation und Struktursimulation: As-manufactured-Faserorientierungen, Überlappungen und potenzielle Spalte werden aus der Prozesssimulation in das mechanische Modell eingespeist. Dadurch spiegeln die Berechnungen reale Fertigungsbedingungen wider und identifizieren besonders sensible Bereiche (z. B. im Dome), die erhöhte Toleranzen erfordern.

Hochauflösende Simulation für weniger Testzyklen und anspruchsvollere Lastfälle

Hochauflösende, multiskalige Simulationen erlauben eine zuverlässige Vorhersage von mechanischem Verhalten und reduzieren den Bedarf an teuren physischen Tests. Im Mesoskalenniveau werden Mikrostruktur, Harz-Faser-Schnittstellen und Volumenbruchverteilungen modelliert und in das makroskopische Tankmodell übertragen. Kompaktionssimulationen liefern realistische Verteilungen des Faser­volumens (FVF) und berücksichtigen Effekte wie Faseranhäufungen und lokale Verdickungen.

Besonders für sicherheitsrelevante Anwendungen (z. B. Wasserstoffspeicherung) ist die Simulation von Crash-, Impact- und Ballistik-Szenarien (einschließlich Burst-After-Impact) unerlässlich. Mit validierten Materialmodellen lassen sich diese Lastfälle virtuell durchspielen, was zahlreiche physische Tests ersetzt und Zeit sowie Material spart.

Reduzierung des Carbonfaserverbrauchs durch gezieltes Design

Da Carbonfaser den größten Kostenanteil eines COPVs ausmacht, wirkt sich deren Einsparung direkt auf die Gesamtkosten aus. Neben der Optimierung der Laminatarchitektur (Verteilung von Hoop- versus Spiralwickellagen) ermöglichen lokale Reinforcement-Strategien wie Local Dome Reinforcement (LDR) eine punktuelle Verstärkung der Dome-Enden. Speziell zugeschnittene Faser­patches werden automatisiert auf den Liner appliziert und binden im Anschluss nahtlos in den Standard­wickelprozess ein.

Dieses Verfahren erlaubt eine Reduzierung konventioneller Wickelschichten um bis zu 15 %, während die mechanischen Eigenschaften erhalten bleiben. Dadurch steigt das nutzbare Innenvolumen – und damit die Speicherkapazität – um rund 17 %.

Frühzeitige Integration von Automatisierung und Fertigungsstrategien

Ein optimal entworfener Laminataufbau muss auch effizient herstellbar sein. Design for Manufacturing (DfM) bezieht daher Windungs­simulationen, Produktions­machbarkeitsstudien und Kostenmodelle frühzeitig in die Entwicklung ein. CIKONI führt parallel zum strukturellen Design Wickelsimulationen durch, um Probleme wie Faserslip, Lückenbildung oder lange Zykluszeiten bereits virtuell zu identifizieren und zu beheben.

Automatisierungskomponenten wie Patch-Applikationssysteme werden so ausgelegt, dass sie in bestehende Wickelmaschinen integriert werden können. Außerdem kann die Kombination von Wet-, Towpreg- und automatisierten Faser­platzierungsprozessen den optimalen Kompromiss zwischen Materialkosten und Produktivität liefern.

Prozessinnovationen: Harzaufnahme- und Gehaltskontrolle

Über- oder Unterdosierung von Harz im Filament-Winding führt zu Übergewicht bzw. zu Fehlstellen und damit zu Sicherheitsrisiken. Eine gezielte Kontrolle des Harzgehalts – durch Kalibrierung des Harzbads, Steuerung von Spannung und Wickelgeschwindigkeit oder den Einsatz von Towpreg – gewährleistet den gewünschten Faser­volumbruch von rund 60 %.

CIKONI bietet patentierte In-Prozess-Sensorik, die während des Wickelns kontinuierlich den Harzanteil misst und Parameter dynamisch anpasst. So entsteht ein gleichmäßig imprägniertes Laminat mit vorhersehbarer Qualität, kürzeren Aushärtungszeiten und geringerem Material­verbrauch.

In-Prozess-Faserausrichtung und Qualitätsüberwachung (CWPWatch)

Auch bei bestens optimiertem Design können während der Fertigung Abweichungen entstehen (Faserfehlstellung, Falten, Spalte). Das CWPWatch-System überwacht in Echtzeit die Faserplatzierung via optischer Sensoren und kann bei Abweichungen Warnungen ausgeben oder sogar automatisierte Korrekturen vornehmen. So werden fehlerhafte Lagen erkannt, bevor sie verdeckt werden, und Ausschuss sowie Nacharbeit werden drastisch reduziert.

Aufgezeichnete Ist-Daten fließen zurück in die Simulation, wodurch ein lernender Entwicklungszyklus entsteht. Diese Qualitätssicherung im Sinne von Industrie 4.0 senkt die Kosten nicht nur durch weniger Ausschuss, sondern auch durch schnellere Zertifizierungsprozesse.

CIKONIs ganzheitliche Lösung im Composite-Engineering

CIKONI vereint alle Disziplinen – von der Konzeptstudie über Multiskalen­simulation und Materialcharakterisierung bis hin zur Fertigungstechnik, Automatisierungs­entwicklung und Prototypen­prüfung. So schließen sich Design- und Fertigungs­schleifen schnell, was Zeit spart und das Risiko von teuren Nacharbeiten minimiert.

Ingenieurteams aus Design, Prozessautomatisierung, Qualitätskontrolle und Kosten­engineering arbeiten Hand in Hand. CIKONI kann bei Bedarf Wickelmaschinen anpassen oder In-Line-Messsysteme integrieren und unterstützt bei der Planung und Durchführung aller Testreihen bis hin zur Serienreife.

Fazit

Die Senkung der Kosten für Wasserstoff- und CNG-Speicher erfordert ein Bündel aus:

1. Simulationgetriebener Optimierung
2. Hochauflösender Multiskalen­simulation
3. Leanes Laminat­design mit lokalen Verstärkungen
4. Früher Automatisierungs­einbindung
5. Präziser Harzkontrolle
6. Echtzeit-Qualitäts­überwachung

Mit diesen Methoden lassen sich Material- und Entwicklungskosten deutlich senken, ohne Sicherheits- oder Leistungs­einbußen. Ein kompetenter Partner wie CIKONI begleitet Sie dabei von der ersten Idee bis zur Serienproduktion und hilft, ambitionierte Kosten- und Performance-Ziele zu realisieren.

Für eine Beratung zum Thema Composite-Druckbehälter kontaktieren Sie uns unter +49 711 263756-00 oder per E-Mail an info@cikoni.com.