Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV
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MaTCH – Herstellung thermoplastischer Composite-Rohre für den Wasserstofftransport

Thermoplastische Pultrusion für Composite-Rohre im Wasserstofftransport

Wasserstoff als Energieträger mit neuen Anforderungen an Rohrsysteme

Der Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft stellt neue Anforderungen an Materialien und Fertigungsprozesse für fluidführende Rohrsysteme. Anwendungen in Mobilität, Energieverteilung und Industrie erfordern leichte, korrosionsbeständige und diffusionssichere Lösungen, die gleichzeitig wirtschaftlich herstellbar sind. Konventionelle metallische Rohrsysteme stoßen hierbei zunehmend an Grenzen, insbesondere hinsichtlich Gewicht, Korrosionsverhalten und der Anfälligkeit gegenüber Wasserstoffversprödung.

Grenzen metallischer Rohrsysteme und bestehender Composite-Lösungen

Metallische Rohrleitungen sind im Wasserstoffbereich etabliert, weisen jedoch wesentliche Nachteile auf. Neben dem hohen Gewicht stellt insbesondere die Wasserstoffversprödung von Stählen eine kritische Herausforderung dar, da sie zu einer Reduktion der Duktilität und langfristig zur Beeinträchtigung der Bauteilsicherheit bis zum Versagen führen kann.
Faserverstärkte Kunststoffe bieten ein hohes Leichtbaupotenzial und sind gegenüber Wasserstoffversprödung unempfindlich, werden im Rohrbereich jedoch bislang überwiegend mit duroplastischen Matrixsystemen umgesetzt. Diese sind nur eingeschränkt recyclingfähig, was die Umsetzung geschlossener Materialkreisläufe am Ende der Lebensdauer erschwert.

Thermoplastische Pultrusion als Schlüsseltechnologie

Hier setzt das Forschungsprojekt MaTCH an. Ziel ist die Entwicklung eines thermoplastischen Pultrusionsprozesses für endlosfaserverstärkte Composite-Rohre, der die Vorteile thermoplastischer Matrixsysteme – insbesondere Recyclingfähigkeit, Umformbarkeit und Fügbarkeit – nutzbar macht. Der Fokus liegt auf der prozesssicheren Umsetzung thermoplastischer Flecht- und Wickelpultrusion zur Herstellung leistungsfähiger Rohrstrukturen für Wasserstoffanwendungen.

Zielgruppen und Projektziele

MaTCH richtet sich an Compositefertiger und industrielle Anwender, die thermoplastische Leichtbaulösungen für anspruchsvolle fluidführende Anwendungen entwickeln oder einsetzen möchten. Ziel des Projekts ist es, einen skalierbaren, industriell relevanten Pultrusionsprozess zu entwickeln, der die Grundlage für nachhaltige, leistungsfähige Composite-Rohre bildet und neue Anwendungsmöglichkeiten im Bereich des Wasserstofftransports eröffnet.

Entwicklung eines thermoplastischen Pultrusionsprozesses für Composite-Rohre

Zentrales Ziel des Projekts MaTCH ist die Entwicklung eines thermoplastischen Pultrusionsprozesses zur Herstellung endlosfaserverstärkter Composite-Rohre. Der Fokus liegt auf der stabilen und reproduzierbaren Verarbeitung thermoplastischer Matrixsysteme in Kombination mit kontinuierlichen, multiaxialen Faserverstärkungen. Damit wird eine technologische Grundlage für leistungsfähige Rohrstrukturen im Wasserstoffumfeld geschaffen.

Thermoplastische Flecht- und Wickelpultrusion als Prozessausprägungen

Im Projekt werden Flecht- und Wickelpultrusion als Ausprägungen der thermoplastischen Pultrusion eingesetzt. Diese Verfahren ermöglichen eine lastangepasste Faserablage entlang der Rohrgeometrie. Im Mittelpunkt steht die prozesssichere Umsetzung dieser Verfahren mit thermoplastischen Materialien unter kontinuierlichen Fertigungsbedingungen, einschließlich Imprägnierung, Konsolidierung und Prozessstabilität.

Kopplung der Pultrusion mit Umspritz-Prozessen

Zur Realisierung funktionsfähiger Rohrleitungssysteme wird der thermoplastische Pultrusionsprozess mit nachgelagerten Umspritz-Prozessen gekoppelt. Diese werden durch den Projektpartner Autenrieth Kunststofftechnik umgesetzt und dienen der Integration von Verbindungs- und Funktionselementen. Damit adressiert MaTCH nicht nur die Herstellung von Composite-Rohren sondern die prozessuale Umsetzung kompletter Rohrleitungssysteme.

Auslegung und Fertigung mehrerer Rohrleitungs-Demonstratoren

Auf Basis der entwickelten Prozesse werden mehrere Demonstratoren gefertigt, die unterschiedliche Material-, Prozess- und Auslegungsvarianten abbilden. Die Demonstratoren repräsentieren realitätsnahe Rohrleitungssysteme und dienen der Bewertung der Prozessrobustheit, Bauteilqualität und Reproduzierbarkeit unter industrienahen Bedingungen.

Systemprüfung: Wasserstoffdichtheit und mechanische Leistungsfähigkeit

Ein wesentlicher Bestandteil von MaTCH ist die experimentelle Untersuchung der gefertigten Demonstratoren. Die Rohrleitungssysteme werden umfassend hinsichtlich ihrer Wasserstoffdichtheit sowie ihrer mechanischen Eigenschaften geprüft. Die Ergebnisse dienen der Validierung der entwickelten Prozesskette und liefern belastbare Daten zur Bewertung thermoplastischer Composite-Rohre für Wasserstoffanwendungen.

Übertragbarkeit auf industrielle Anwendungen

Die im Projekt entwickelten Prozess- und Systemansätze sind auf weitere Anwendungen übertragbar. MaTCH schafft damit eine Grundlage für Compositefertiger, die thermoplastische Rohrlösungen für anspruchsvolle fluidführende Anwendungen entwickeln, bewerten und perspektivisch industrialisieren möchten.

Aktueller Projektstand und Ausblick

MaTCH ist erfolgreich gestartet und befindet sich aktuell in der Phase der Prozess- und Systementwicklung. Der Fokus liegt auf der Auslegung und Umsetzung des thermoplastischen Pultrusionsprozesses sowie auf der Abstimmung der Schnittstellen innerhalb der Prozesskette. Darauf aufbauend werden mehrere Demonstratoren von Composite-Rohrleitungssystemen gefertigt, die unterschiedliche Material- und Prozessvarianten abbilden. In den folgenden Projektphasen werden diese Demonstratoren umfassend geprüft. Neben der mechanischen Leistungsfähigkeit steht insbesondere die Untersuchung der Wasserstoffdichtheit der gesamten Rohrleitungssysteme im Mittelpunkt. Ziel ist eine belastbare Bewertung der entwickelten Prozesse und ihrer Eignung für anspruchsvolle Wasserstoffanwendungen. MaTCH ist in die laufenden Forschungsaktivitäten des Fraunhofer IGCV im Bereich der Pultrusion eingebettet und baut auf Erkenntnissen aus den Projekten DRIFT, RAILS und AntiStatic auf. Während in AntiStatic die Flechtpultrusion mit duroplastischen Matrixsystemen untersucht wurde, erweitert MaTCH diese Arbeiten gezielt um thermoplastische Prozessansätze und deren Anwendung auf Rohrstrukturen für den Wasserstofftransport.

Über das Projekt hinaus verfügt das Fraunhofer IGCV über Technologien zur Weiterverarbeitung thermoplastischer Rohre, insbesondere durch Biegen von Rohren. Dadurch können aus geraden Composite-Rohren komplex geformte, dreidimensionale Leitungssysteme realisiert werden. Damit eröffnen sich zusätzliche Freiheitsgrade für die Integration in komplexe Leitungssysteme und Baugruppen. Die in MaTCH entwickelten Prozessansätze bilden hierfür eine wichtige Grundlage und knüpfen direkt an die Biegetechnologie des Fraunhofer IGCV an.