Oberflächenvorbehandlung, Barrierebeschichtung, automatisierte Bearbeitung und Montage kryogener CFK-Wasserstofftanks
Fraunhofer IFAM präsentiert auf der ILA 2026 »HYTANK«-Projektergebnisse
zur effizienten Produktion leichter Wasserstofftanks für die
emissionsfreie Luftfahrt
Forschende aus den Bereichen Plasmatechnik und Oberflächen, Lacktechnik
sowie Automatisierung und Produktionstechnik des Fraunhofer IFAM
entwickelten in »HYTANK« gemeinsam mit Projektpartnern wegweisende,
ressourceneffiziente Fertigungs- und Fügetechnologien für die Produktion
großformatiger, doppelwandiger Wasserstofftanks aus carbonfaserverstärktem
Kunststoff (CFK) – von geeigneten Oberflächenvorbehandlungen über
funktionelle Barrierebeschichtungen bis zur automatisierten Fertigung im
1:1-Maßstab inklusive Bearbeitung und klebtechnischer Montage.
Ziel war
es, Voraussetzungen für die zukünftige effiziente Produktion leichter,
dichter und unter kryogenen Bedingungen zuverlässiger Tankstrukturen
beispielsweise für die Luftfahrt zu schaffen.
Flüssiger Wasserstoff (LH₂) gilt als eine vielversprechende Option für
Luftfahrtantriebe von morgen. Die dafür erforderlichen Tanks müssen jedoch
extremen Anforderungen standhalten: Sie sollen mit möglichst geringem
Gewicht bei Temperaturen bis zu - 253 °C dauerhaft dicht und strukturell
belastbar bleiben sowie mechanischen und thermischen Belastungen
widerstehen. CFK-Strukturen bieten hierfür grundsätzlich günstige
Voraussetzungen, stellen jedoch hohe Anforderungen an Auslegung, Fertigung
und Fügetechnik. Insbesondere kryogene Temperaturen, Druckbelastungen
sowie die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe erfordern angepasste
Konstruktions- und Prozesskonzepte.
Im Projekt »HYTANK« (»Entwicklung von Beschichtungs-, Füge- und Montage-
Prozessen zur Herstellung eines CFK-LH₂-Tanks für das emissionsfreie
Fliegen«; Förderkennzeichen: 20W2214D) adressierte das Fraunhofer IFAM
diese Herausforderungen mit einem integrierten Ansatz entlang wesentlicher
Prozessschritte – von der vorbereitenden Funktionalisierung der
Oberflächen über die Entwicklung von Barrierebeschichtungen für eine
erhöhte Dichtheit und Vakuumstabilität bis zur automatisierten Bearbeitung
und Montage der Tankstrukturen.
Auf der ILA 2026 in Berlin (Halle C, Stand 280) präsentieren die
Wissenschaffenden ein maßstabsgetreues Modell der automatisierten
Bearbeitungs- und Montageanlage sowie ein oberflächenvorbehandeltes sowie
barrierebeschichtetes Original-Tankstruktur-Segment im 1:1-Maßstab.
Oberflächenvorbehandlung: Haftung gezielt verbessern
Damit nachfolgende Schichtsysteme auf CFK-Strukturen zuverlässig
funktionieren, ist eine reproduzierbar hohe Haftfestigkeit auf dem
Substrat erforderlich. Ein Schwerpunkt der FuE-Arbeiten im Rahmen von
»HYTANK« lag deshalb auf der geeigneten Vorbehandlung der Oberflächen.
Ziel war ein kombinierter Vorbehandlungs- und Beschichtungsprozess, der
die Barriereeigenschaften der CFK-Struktur verbessert und so das
isolierende Vakuum zwischen Innen- und Außenhülle eines doppelwandigen
Kryotanks dauerhaft stabilisiert. Im Fokus steht eine erhöhte
Barrierewirkung gegenüber von außen eindringender Feuchtigkeit sowie
Ausgasungsprodukten aus dem CFK. Für die zuverlässige Funktion der
Barrierebeschichtung ist neben der eigentlichen Barrierewirkung eine sehr
gute Haftung auf dem CFK-Untergrund erforderlich. Die Herausforderung: Die
CFK-Oberfläche weist herstellungsbedingt haftkritische
Trennmittelrückstände auf, die entfernt oder gezielt modifiziert werden
müssen, ohne die Matrix zu schädigen oder Fasern freizulegen.
Im Projekt wurden verschiedene Vorbehandlungsverfahren vergleichend
untersucht, darunter Vakuumsaugstrahlen, Atmosphärendruck-
Plasmabehandlung, VUV-Bestrahlung und Laserbehandlung. Drei dieser
Prozessvarianten erwiesen sich als grundsätzlich geeignet. Welche Lösung
im Einzelfall am besten passt, hängt jedoch stark von der konkreten
Anwendung ab – beispielsweise von Bauteilgeometrie, Zugänglichkeit,
verfügbarer Bearbeitungszeit, verwendetem CFK-Material sowie Art und Menge
der eingesetzten Trennmittel.
Besondere Potenziale zeigen trockene und berührungslose beziehungsweise
materialschonende Verfahren. So erhöht die Atmosphärendruck-
Plasmabehandlung die Benetzbarkeit und Haftung, ohne die Oberfläche stark
thermisch oder mechanisch zu belasten. Vakuum-UV-Licht- (VUV-Licht-)
Bestrahlung aktiviert die Oberfläche durch den Eintrag polarer
funktioneller Gruppen, während Laserbehandlungen eine präzise Reinigung
und Aktivierung ermöglichen.
Die Untersuchungen machten deutlich, dass die Oberflächenvorbehandlung ein
entscheidender Hebel für die prozesssichere Funktion nachfolgender
Beschichtungen auf CFK-Großstrukturen ist.
Barrierebeschichtung: Dichtheit erhöhen und Vakuum stabilisieren
Ein zweiter Forschungsschwerpunkt des Projekts fokussierte auf
Beschichtungslösungen für kryogene Wasserstofftanks aus
Leichtbaumaterialien. Das Fraunhofer IFAM entwickelte
Barrierebeschichtungen, die die Gasdurchlässigkeit polymerbasierter
Tanksysteme reduzieren können. Sie sollen das Austreten von Wasserstoff
verringern und zugleich das Eindringen atmosphärischer Gase – wie
Sauerstoff – oder Feuchtigkeit begrenzen. Damit könnten sie einen
doppelten Beitrag leisten: einerseits zur Erhöhung der Betriebssicherheit
des Tanksystems und andererseits Unterstützung zur Aufrechterhaltung des
wärmeisolierenden Vakuums in doppelwandigen Tankstrukturen.
Die entwickelten Beschichtungssysteme basieren auf polymeren Bindemitteln
mit integrierten Barrierepigmenten. Durch die gezielte Gestaltung der
Schichtstruktur wird der Diffusionsweg für Gasmoleküle verlängert, wodurch
sich die Permeation reduzieren lässt. Ein wesentlicher Vorteil dieser
Ansätze besteht darin, dass sie sich grundsätzlich mit etablierten
Lackierverfahren auch auf komplexe Geometrien applizieren lassen und somit
eine Übertragbarkeit in industrielle Prozesse denkbar ist.
Das Fraunhofer IFAM brachte hierbei insbesondere seine Expertise in der
Applikationstechnik und Beschichtungsentwicklung ein. Im Mittelpunkt
standen dabei u.a. die Übertragung der Schichtsysteme auf reale
Tankgeometrien, die Prozessstabilität sowie das Verhalten unter kryogenen
Bedingungen. Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit kamen unter anderem
Permeationsmessungen, Kryozyklierung und REM-Analysen zum Einsatz.
Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von Barrierebeschichtungen,
Leichtbaumaterialien in Wasserstofftanks verstärkt einsetzen zu können und
damit Gewicht sowie Energieaufwand zu reduzieren – nicht nur für die
Luftfahrt, sondern perspektivisch auch für weitere Anwendungen im Kontext
Mobilität und Wasserstoffinfrastruktur.
Fertigung: Automatisierte Bearbeitung und Montage großformatiger
Tankstrukturen im 1:1-Maßstab
Schließlich runden die »HYTANK«-FuE-Aktivitäten bezüglich prozesssicherer
Fertigung und Montage großvolumiger CFK-Wasserstofftanks das
Forschungsvorhaben ab. Das Fraunhofer IFAM entwickelte hierfür
Technologien zur mechanischen Bearbeitung von Funktionsflächen, zur
präzisen Positionierung der Fügepartner und zur automatisierten
Klebstoffapplikation. Ziel war das kontrollierte Fügen der Teilkomponenten
zu einem geschlossenen Innentank. Die entwickelten Verfahren wurden im
1:1-Maßstab an großformatigen Bauteilen erprobt.
Für die Montage wurde ein durchgängiges Konzept für einen rund sechs Meter
langen Doppelwandtank mit Innen- und Außentank, integrierter Innenstruktur
und Isolierung erarbeitet. Aufgrund großer Bauteilabmessungen,
biegeschlaffen CFK-Zylindern, enger Toleranzanforderungen und langer
Aushärtezeiten bedurfte es eines präzise abgestimmten und skalierbaren
Montagekonzepts. Deshalb fiel die Auswahl auf ein modulares Montagesystem
auf Linearachsen mit parallel angeordneten Handhabungs- und Fügeprozessen,
da es eine präzise, robuste und perspektivisch skalierbare Handhabung der
empfindlichen CFK-Tankstrukturen ermöglicht.
Ergänzend entstand eine Validierungsplattform mit linear verfahrbaren
Aufnahmesystemen, die messtechnisch qualifiziert wurde. Hier ließen sich
zentrale Einflussgrößen des Fügens – etwa Standverhalten des
Strukturklebstoffs, Einstellung von Überlapp- und Spaltverhältnissen sowie
Verpressverhalten der Fügepartner – unter kontrollierten Randbedingungen
untersuchen. Zugleich wurde der signifikante Einfluss von Form- und
Lagetoleranzen auf die Prozessstabilität deutlich.
Auch für das klebtechnische Fügen, das besondere Anforderungen an die
automatisierte Prozessführung stellte, wurde ein angepasstes System
realisiert. Ein eigens entwickelter robotergeführter Endeffektor mit
Rollenführung und Federmechanismus ermöglichte auf gekrümmten Fügeflächen
einen konstanten Düsenabstand und unterstützte so einen reproduzierbaren
Auftrag des Klebstoffs. Nach der Applikation wurden die Fügepartner über
ein Schienensystem der Montageanlage automatisiert zueinander positioniert
und gefügt. Heizmatten beschleunigten anschließend die
Klebstoffaushärtung.
Die Ergebnisse zeigen, dass automatisierte Bearbeitungs-, Positionier- und
Klebprozesse für großformatige CFK-LH₂-Tankstrukturen grundsätzlich
realisierbar sind. Für eine industrielle Umsetzung sind insbesondere
robuste Strategien zum Toleranzmanagement, zur reproduzierbaren
Spalteinstellung und zur prozesssicheren Klebstoffapplikation
weiterzuentwickeln.
Fazit l Ausblick
Im Rahmen des FuE-Projekts »HYTANK« entwickelte das Fraunhofer IFAM
wesentliche Technologien für die zukünftige, ressourceneffiziente
Produktion von Wasserstofftanks, beispielsweise für die Luftfahrt:
abgestimmte Oberflächenvorbehandlungen, funktionelle
Barrierebeschichtungen sowie automatisierte Bearbeitungs-, Füge- und
Montageprozesse. Gemeinsam tragen diese Ansätze dazu bei, großformatige
belastbare CFK-LH₂-Tankstrukturen leichter, dichter und in der
industriellen Produktion beherrschbarer zu machen – auch für Anwendungen
in anderen Branchen, beispielsweise in der Schifffahrt und für die
Wasserstoffinfrastruktur.
Förderung
Das Projekt »HYTANK« (»Entwicklung von Beschichtungs-, Füge- und Montage-
Prozessen zur Herstellung eines CFK-LH₂-Tanks für das emissionsfreie
Fliegen«; Förderkennzeichen 20W2214D) wurde durch das Bundesministerium
für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages im Rahmen des LuFo VI-3-Programms gefördert. Im Namen aller
Projektpartner bedankt sich das Fraunhofer IFAM bei dem Bundesministerium
für Wirtschaft und Energie sowie bei dem Projektträger
Luftfahrtfahrtforschung vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt
(DLR) für deren Unterstützung.
Projektpartner
• Airbus Operations GmbH (Verbundführer)
• Broetje-Automation GmbH
• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
• Faserinstitut Bremen e.V.
• FFT Produktionssysteme GmbH & Co. KG
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung
e.V.
• Technische Universität Dresden
Messe
Erfahren Sie mehr – besuchen Sie uns vom 10. bis 14. Juni auf der ILA 2026
in Berlin auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand Aviation (Halle C, Stand
280)
https://www.ifam.fraunhofer.de
Video
»HYTANK«: Entwicklung von CFK LH₂ Tanks für emissionsfreies Fliegen
https://www.youtube.com/watch?
