Brennstoffzellen-Fahrzeuge

Meinolf Droege,

Nasswickelprozesse für Druckbehälter

Eine roboterbasierte Wickelanlage soll neue Möglichkeiten zur Erforschung von Einsparpotenzialen bei der Herstellung von Typ 4-Druckbehältern im Nasswickelprozess für Brennstoffzellen-Fahrzeuge eröffnen. Speziell das Kooperationsprojekt Delfin am IKV soll davon profitieren.

Gesamtansicht der neuen, roboterbasierten Wickelanlage im FVK-Technikum des IKV. © IKV, Fröls

Neun Projektpartner erforschen in dem vom BMVI geförderten Forschungsprojekt Optimierungspotenziale bei der Herstellung von Druckbehältern. Sie betrachten die gesamte Wertschöpfungskette mit dem Ziel, die Kosten- und Materialeffizienz zu steigern. Ein Forscherteam des IKV übernimmt im Projekt die Untersuchung des mechanischen und thermischen Verhaltens der Liner-Boss-Ventilschnittstelle. Darüber hinaus entwickelt das Team Methoden zur Inline-Erfassung von Fertigungsfehlern im Nasswickelprozess. Als Fertigungsfehler gelten alle Abweichungen zwischen Auslegung des Behälters in der Simulation und den gefertigten Behältern. Aufgrund der Vielfalt möglicher Fertigungsabweichungen konzentrieren sich die Forscher zunächst auf das Erfassen der Faserbandgeometrie mit Breite, Orientierung, Dicke und Positionierung des Faserbands auf dem Druckbehälter. Hierzu werten sie derzeit unterschiedliche optische Messtechniken aus.

Für eine fundierte Evaluierung ist die Implementierung der Messsysteme in die neue Anlagentechnik interessant. Die roboterbasierte Wickelanlage arbeitet nach dem Prinzip des bewegten Dorns, bei dem sich der Wickelkörper auf einer Linearachse vor dem Fadenauge hin und her bewegt. Das Fadenauge ist Bestandteil des Legekopfs an einem 6-Achs-Industrieroboter von Kuka. Der Legekopf enthält eine integrierte Spulenaufnahme für vier Faserspulen, eine separate Fadenspannungsregelung je Faden, eine Imprägniereinheit sowie eine zusätzliche Bandspannungsregelung. Dies ermöglicht eine präzise Faserbandablage auf dem Wickelkern. Die Einspannlänge der neuen Anlage beträgt 300 bis 3000 Millimeter und es können Bauteile mit maximal 300 Kilogramm einschließlich Wickeldorn gefertigt werden. Der Durchmesser der Wickelkörper ist auf 800 Millimeter begrenzt. Die höchsten Wickelgeschwindigkeiten liegen bei 2 m/s in Abhängigkeit vom eingesetzten Wickelkern. Neben dem Nasswickelverfahren eignet sich die Anlage aufgrund ihrer hohen Modularität im Legekopf auch zum Towpregwickeln.

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Infrarotkamera zur Inline-Ermittlung der Faserbandbreite bei der Ablage von Umfangswicklungen auf einem Typ 4-Druckbehälter. © IKV, Fröls

Die Messtechnik zur Erfassung der Faserbandgeometrie wird am Legekopf integriert. Neben Umfangslagen können auch steile und flache Helixwicklungen untersucht werden. Um zeitnah erste Versuche durchführen zu können, werden derzeit entsprechende Aufnahmen für die optischen Messsysteme gefertigt.

Zur Bestimmung der Ablageposition ist die Inline-Erfassung des Faserbands nicht ausreichend. Um die Position des Faserbands auf dem Wickelkörper zu erfassen, werden die Maschinenkoordinaten und damit der Ablageort mit den Messdaten verbunden, sodass eine ortsaufgelöste Zuordnung der Messdaten und damit eine virtuelle Rekonstruktion des Druckbehälters möglich wird. Dazu nutzt die neue Wickelanlage von Hille Engineering einen Hutschienen-PC mit SQL-Datenbank, über die Positionsdaten und weitere relevante Prozessparameter wie Abzugsgeschwindigkeit, Fadenspannung, Rakelspalt und Harzbadtemperatur für die Datenauswertung zur Verfügung gestellt werden.

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