Sonderprüftechnik

Die Lebensdaueranalyse für Wasserstoff-beaufschlagte Werkstoffe und Systeme bedarf komplexer Analyse- und Bewertungsmethoden; sowohl auf experimenteller als auch numerischer Seite. Dabei stellt die hohe Diffusionsfähigkeit der Wasserstoffmoleküle gängige Analysemethoden und Versuchseinrichtungen vor eine enorme Herausforderung, insbesondere, wenn erhöhte Systemdrücke im Bereich der Brennstoffzelle, der Rohrleitungssysteme oder der Wasserstoffspeicher die Grundlage für den Lebensdauernachweis bilden müssen.

Um variierenden Kundenanforderungen gerecht zu werden, entwickelt, plant und baut das Fraunhofer LBF zusammen mit Systempartnern die Versuchsumgebungen selbst, um maßgeschneiderte Lösungsmöglichkeiten etwa für den quasi-statischen und zyklischen Lebensdauernachweis an Werkstoffproben führen zu können.

So verfügt das Fraunhofer LBF über eine servo-hydraulische Prüfmaschine, die, ausgerüstet mit einem Druckautoklav und einer Temperiereinrichtung, quasi-statische sowie spannungs- und dehnungsgeregelte, zyklische Versuche unter dem Medium Wasserstoff 5.0 bzw. 6.0 und bei Temperaturen von -40 °C bis +130 °C erlaubt. Damit sind Lebensdaueranalysen im Bereich von 10 bar bis 50 bar Druckbeaufschlagung möglich. Ergänzend hierzu können aber auch Untersuchungen unter Stickstoff mit einer Druckbeaufschlagung von 10 bar durchgeführt werden.

Doch nicht nur der Lebensdauernachweis an Werkstoffen und Bauteilabschnitten wird durch Sonderprüftechnik abgedeckt. Auch der Nachweis an kompletten batterie- und brennstoffzellen-elektrischen Systemen erfolgt am Fraunhofer LBF mit eigens entwickelten und angepassten Versuchseinrichtungen. So verfügt das Institut über einen MAST (Multi-Axialer-Schwingtisch), der es ermöglicht, unter kombinierten mechanischen, elektrischen und thermischen Beanspruchungen den Lebensdauernachweis etwa von Batterien oder Brennstoffzellen unter nahezu realen Einsatzbedingungen zu führen. Bedingt durch die mögliche Belastbarkeit des Schwingtisches mit maximal 1000 kg, können auch größere Systemkomponenten bin hin zu kleineren Elektrofahrzeugen bei unterschiedlichen Temperaturen, mechanischen Beanspruchungsprofilen sowie unter elektrischer Last untersucht werden.

Für den Nachweis der Lebensdauer benötigt es zu aller erst Informationen zur Betriebsbeanspruchung, welche aus der realen Betriebsbelastung resultiert. Zur Messung derartiger Betriebsbeanspruchungen entwickelt das Fraunhofer LBF in Abstimmung mit seinen Kunden systemspezifische Lösungen. Seit Jahrzehnten werden über Messräder, hochintegrierte Messsysteme und adaptive Sensorik Daten aus Fahrbetriebsmessungen am Fahrwerk, mechanischen Komponenten, Batterien und neuerdings auch von Brennstoffzellensystemen akquiriert und für den Lebensdauernachweis unter variablen Belastungsamplituden aufbereitet.

Neben den unterschiedlichen Prüfumgebungen zur experimentellen Analyse des Einflusses von Wasserstoff auf die Lebensdauer von Werkstoffproben bzw. Systemkomponenten, bietet das Fraunhofer LBF auch Möglichkeiten zur numerischen Abbildung spezifischer Eigenschaften an. Anhand von Mehrkörper- und Beanspruchungssimulationen wird ein digitales Abbild der realen Versuchskörper abgeleitet. Zur Bewertung der Sicherheit und Zuverlässigkeit elektrischer, elektronischer oder Wasserstoff führender Systeme, kommen Methoden basierend auf Probabilistischer FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) zur Anwendung.