DE102010033623B4

DE102010033623B4 - Vorrichtung zum Speichern eines Mediums und Verfahren zum Herstellen einer solchen

Info

Publication number: DE102010033623B4
Application number: DE102010033623A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Detjen Heingerd; Dipl.-Ing. Krüger Thomas; Dipl.-Ing. Eckhard (FH) Reese
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2030-08-07
Also published as: DE102010033623A1

Abstract

Eine Vorrichtung (1) dient zum Speichern eines unter Druck stehenden gasförmigen oder flüssigen Mediums. Sie weist einen gasdichten Innenbehälter (2) und wenigstens eine den gasdichten Innenbehälter (2) umgebende Schicht (9) aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial auf. Erfindungsgemäß ist die wenigstens eine Schicht um den gasdichten Innenbehälter (2) geflochten und besteht aus mit einem thermoplastischen Matrixmaterial (8) vorimprägnierten Faserbündel (7). Das Matrixmaterial (8) ist zumindest punktuell mit dem Matrixmaterial (8) benachbarter Faserbündel (7) und/oder dem Material des Innenbehälters (2) verschmolzen. Es ist eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zu ihrer Herstellung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speichern eines unter Druck stehenden gasförmigen oder flüssigen Mediums, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Vorrichtung.
Vorrichtungen zum Speichern von Gasen beziehungsweise Druckbehälter sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden derartige Druckbehälter in verschiedene Typen unterteilt. Beispielsweise ist ein sogenannter Typ-II-Druckbehälter ein Druckbehälter mit einem Innenbehälter, dem sogenannten Liner, aus hochfestem Stahl oder Edelstahl und einer diesen Innenbehälter umgebenden Außenhülle, beispielsweise aus faserverstärktem Material. Ein Typ-III-Druckbehälter weist einen Liner aus Aluminium auf und ein Typ-IV-Druckbehälter weist typischerweise einen Liner aus einem Kunststoffmaterial, beispielsweise aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) auf, welche von wenigstens einer Außenhülse aus faserverstärktem Kunststoffmaterial umgeben ist.
Solche Druckbehälter dienen als Vorrichtungen zum Speichern von Gasen – oder auch Flüssigkeiten – unter hohen Drücken. Im Allgemeinen werden dabei Drücke in der Größenordnung von ca. 350 bar, in der Größenordnung von ca. 700 bar oder auch in der Größenordnung von 1100 bis 1200 bar vorgesehen, um insbesondere bei leichten Gasen, wie z. B. Wasserstoff, eine möglichst große Menge des Gases in einem vergleichsweise überschaubaren Volumen der Vorrichtung speichern zu können.
Der Stand der Technik ist also gekennzeichnet durch Druckbehälter, die einen Liner aus Metall oder Kunststoff enthalten. Auf dem Liner wird der faserverstärkte Kunststoff mittels eines Wickelverfahrens aufgebracht. Das Wickeln ist sowohl für duroplastische als auch thermoplastische Matrixsysteme bekannt. Weiterhin ist bekannt, dass durch ein Vorwärmen der Fügezone beim Wickelprozess, insbesondere durch die Verwendung eines Infrarot-Linienheizers, die Faser-Matrix-Haftung verbessert werden kann. Beim Wickeln von Druckbehältern wird die axiale Festigkeit durch Längswicklungen und die Umfangsfestigkeit durch Umfangswicklungen getrennt realisiert. Als wesentliches Element der Behälter dient der Liner als Stützgerüst für die Aufbringung des faserverstärkten Kunststoffs sowie als Barriere gegenüber der Permeation von Gasen. Die Festigkeit des Druckbehälters wird durch das Aufbringen von faserverstärktem Kunststoff erreicht.
Bei dem Stand der Technik nach DE 198 32 145 A1 handelt es sich um einen Composite-Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigen Medien unter Druck mit einem zylindrischen Liner aus Kunststoff und zwei jeweils separat ausgebildeten gewölbten Böden (Verschlussstücken) aus einem mit Kurz-, Lang-, oder Endlosfaser verstärkten Faserverbundkunststoff (FVK) sowie einer den Liner verstärkenden Wicklung aus einem FVK. Die Verschlussstücken, von denen mindestens eines zur Aufnahme eines einschraubbaren, ein Gewinde aufweisenden Ventils ausgebildet ist, sind jeweils in dem Druckbehälter zugewandten Eckbereich mit einem flach verlaufenden kegelstumpfartigen Kragen versehen, der innenseitig vom Liner und außenseitig von der verstärkenden Wicklung umgeben ist. Die Polkappen des Druckbehälters sind mit einer schlagabsorbierenden Schicht versehen. Bei dem in DE 198 32 145 A1 beschriebenen Behälter werden handelt es sich um eine Differentialstruktur bei dem beide Böden separat ausgebildet sind und erst später durch Form- Stoff- oder Kraftschluss oder einer Kombination aus zweien mit dem rohrförmigen Mittelteil verbunden werden.
Nach der EP 0 147 042 A1 ist ein Behälter zur Lagerung und zum Transport von Fluiden unter Druck bekannt, der einen thermoplastischen inneren blasgeformten bzw. rotationsgeformten Liner aus Polyethylen, Polyethylentertaphlat, Polypropylen, Polyvinylchlorid oder Polyvinyldienchlorid besitzt, welcher mit mindestens zwei äußeren Schichten aus Kohlenstoff-Fasern, Polyamidfasern, Glasfasern, glasfaserverstärkten Polyesterfasern oder glasfaserverstärkten Phenolfasern, welche mit Epoxidharz getränkt (vorimprägniert) werden, umwickelt wird.
Der in der EP 0 666 450 A1 beschriebene Druckbehälter umfasst einen aus Kunststoff bestehenden Liner mit einem zylindrischen Mittelteil, zwei kalottenförmigen Endteilen und einen den Liner umfüllenden Außenmantel mit einer Mehrzahl in radialer Richtung übereinander angeordneten Tangentialwicklungen und Axialwicklungen aus einem faserverstärktem Kunststoff, wobei die unterste Wicklung als Tangentialwicklung ausgebildet ist und sich in axialer Richtung im Wesentlichen über den zylindrischen Mittelteil des Liners erstreckt. Die unterste Wicklung im Mittelbereich weist eine erste Dicke auf und geht an beiden Enden in einen Wicklungsrand über, welcher eine zweite Dicke aufweist, die größer ist als die erste Dicke, wobei der Wickelwinkel relativ zur Behälterachse zwischen 35° und 80° liegt.
Die EP 1 257 766 B1 beschreibt ein faserverstärktes Druckgefäß mit einem steifen gas- oder fluiddichten Kärper aus thermoplastischem Material, der vollständig umwickelt ist mit Fiberfasern (Carbonfasern) wobei die Fiberfasern so gewickelt sind, dass die Fiberfasern exakt in ihrer Längsrichtung belastet werden, wenn das Druckgefäß unter Innendruck ist, und wobei kein Matrixmaterial benutzt wird, um Scherlasten von einer Fiberfaser auf eine andere oder auf den gas- oder fluiddichten Körper zu übertragen wenn das Gefäß unter Innendruck ist, so dass die Fiberfasern sich frei in Bezug aufeinander bewegen können. Die Fasern werden hierzu auf den Kunststoffliner gewickelt und sind auch nach der Ablage frei beweglich, da sie nicht in eine Matrix eingebettet werden sondern lediglich dazu dienen, dass im Fall einer hohen Beanspruchung des inneren Kunststoffbehälters durch einen Innendruck (bis 600 bar) Zuglasten in Folge der radialen Aufweitung des Behälter aufgenommen werden können und so, dass Bersten des Behälters verhindert wird.
DE 10 2005 053 245 A1 beschreibt einen Druckbehälter mit einem luftdichten Einsatz und einer aus faserverstärktem Kunststoff gefertigten und durch Aushärten von mit Kunstharz imprägnierten Faserbündeln, die um die Außenseite des Einsatzes gewickelt sind, geformten Schale, wobei der Druckbehälter einen zylindrischen Abschnitt, an jedem Ende des zylindrischen Abschnitts einen kuppelförmigen Endabschnitt und einen an der Mitte eines jeden kuppelförmigen Endabschnitts vorgesehenen Stutzen hat, dass die Schale zumindest zwei Faserbündellagen hat, die durch kunstharzimprägnierte Faserbündel ausgebildet sind und zumindest ein Formkorrekturelement hat, das an jedem kuppelförmigen Endabschnitt zwischen den Lagerbündellagen angeordnet ist.
Als nächstliegender Stand der Technik wird die DE 601 10 937 T2 genannt. Diese zeigt eine Kohleverbundstruktur als Druckgefäß, welche aus einer inneren Blase ausgebildet ist, welche beispielsweise durch Extrusionsblasformen hergestellt sein kann. Diese ist dann mit Verstärkungsfasern überflochten, welche gut vermischt mit einem thermoplastischen Harz über der Blase angeordnet werden. Das Überflechten kann dabei kalt oder insbesondere unter Addition von Wärme erfolgen, sodass die thermoplastische Matrix und die Fasern sich miteinander verbinden.
Weitere mit Fasern umwickelte Druckgasbehälter sind beispielsweise aus der DE 60 2004 012 033 T2 oder der WO 01/96766 A1 bekannt. In diesem Zusammenhang soll ferner auf die DE 25 16 395 A1 verwiesen werden.
Aus dem Abstract der JP 07-256771 A ist zum weiteren allgemeinen Stand der Technik ferner ein Herstellungsverfahren bekannt, bei welchem mehrlagige faserverstärkte Aufbauten hergestellt werden, in dem ein Prozess des Umwickelns und Verschmelzens von Fasern jeweils auf einer vergleichbar aufgebauten auf einem fester Kern erzeugten ersten Schicht realisiert ist.
Die Aufbauten gemäß dem Stand der Technik weisen dabei die folgenden Nachteile auf:

1. Bisherige Druckbehälter für die Aufnahme von komprimierten Gasen in Kraftfahrzeugen sind herkömmlicher Weise aus Stahl, Aluminium oder dergleichen und daher schwer, wodurch sich ein deutliches Gewichtseinsparpotential für die vorliegende Erfindung ergibt.
2. Aus dem Behälterbau sind auch Bauweisen mit metallischen Linern und Faserverbundkunststoff-Außenschalen bekannt. Bei diesen werden im Allgemeinen duroplastische Matrixsysteme, welche eine lange Aushärtezeit besitzen, verwendet, wobei der Liner mit harzimprägnierten Verstärkungsfasern umwickelt wird.
3. Der bekannte und bereits verwendete Wickelprozess ist in Folge der geringen Ablegeleistung kosten- und zeitintensiv.
4. Ein weiteres Problem, dass bei der Fertigung derartiger Druckbehälter in FVK-Bauweise bisher auftreten kann, ist die Verbundhaftung zwischen metallischem Liner und FVK-Außenschale. Hierzu müssen meist sehr aufwendig Primer zur Vorbehandlung des metallischen Liners aufgetragen werden, wodurch wiederum die Prozesskosten steigen.
5. In Folge der erhöhten Aushärtezeit duroplastischer Matrixsysteme ist bei der Herstellung mehrschichtiger Körper die erste Schicht weniger stabil und somit später belastbar, was das Aufbringen weiterer Schichten verzögert. Bei sofortigem Aufbringen einer weiteren Schicht auf die erste könnte diese relaxieren, was zum Verlust von Spannung bzw. verringerter Formstabilität führt und die Gesamtperformance verschlechtert.
6. Der Zeit- und Kostenaufwand wird außerdem durch eine anschließende Abnahme beziehungsweise Prüfung der Druckbehälter auf Dichtheit und Druckbeständigkeit nochmals vergrößert.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9 zu schaffen, welche die Vorrichtung beziehungsweise das Verfahren zu ihrer Herstellung verbessert und so ohne Qualitätseinbußen Zeit und Kosten spart.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorrichtungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Ein Herstellungsverfahren welches die oben genannte Aufgabe löst, ist außerdem durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 9 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist also einen gasdichten Innenbehälter beziehungsweise Liner auf, welcher mit Faserbündeln umflochten ist, welche eine thermoplastische Materialmatrix aufweisen. Diese Materialmatrix ist dabei zumindest punktuell mit der Materialmatrix benachbarter Faserbündel und/oder dem Material des Innenbehälters verschmolzen. Dadurch entsteht ein sehr kompakter und stabiler Aufbau, welcher entsprechend einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Der Behälter weist damit eine extrem gute Medienundurchlässigkeit über einen großen Temperaturbereich hinweg auf und bietet durch das Faserverbundflechten der Faserbündel, welche auch als Rovings bezeichnet werden, die Möglichkeit eines sehr stabilen Aufbaus, da die Faserrichtung größtenteils in der zu erwartenden Kraftrichtung verläuft. Das Flechten erlaubt außerdem eine sehr viel schnellere Ablage der Fasern als ein Umwickeln, sodass auch hierdurch Zeit und Kosten eingespart werden. Die Verwendung des thermoplastischen Materials, welches durch Aufschmelzen mit benachbarten Faserbündeln und/oder dem Liner verbunden wird, erlaubt einen sehr schnellen Fertigungsprozess, da nicht auf das Aushärten eines Epoxidharzes oder Ähnliches gewartet werden muss. Die Fasern sind nach dem Verflechten entsprechend gespannt und werden durch das punktuelle Aufschmelzen in dieser Lage sicher und zuverlässig fixiert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass der gasdichte Innenbehälter aus wenigstens zwei unterschiedlichen Kunststoffen ausgebildet ist, welche gemäß einer bevorzugten Weiterbildung in Schichten übereinander angeordnet sind. Diese Ausgestaltung des Liners aus verschiedenen Kunststoffen erlaubt es, die Eigenschaften hinsichtlich der Festheit und der Dichtheit gegenüber dem zu speichernden Gas oder der zu speichernden Flüssigkeit ideal auszuwählen. Der Liner kann dennoch einfach hergestellt werden und ist entsprechend leicht auszuführen, was insbesondere für die Anwendung als Druckgasspeicher in Fahrzeugen eine entscheidende Rolle spielt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es ferner vorgesehen, dass zumindest die Außenschicht des gasdichten Innenbehälters aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial ausgebildet ist. Diese Ausbildung zumindest der Außenschicht des gasdichten Innenbehälters aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial erlaubt es, die vorimprägnierten Faserbündel nicht nur untereinander zu verschmelzen, sondern auch mit dem Material des Innenbehälters zu verschmelzen, wobei dieses leicht angeschmolzen wird. Dadurch wird die Gasdichtheit des Innenbehälters nicht nachteilig beeinträchtigt. Die Verbundhaftung zwischen dem Innenbehälter und der ihn umgebenden Schicht aus faserverstärktem Kunststoff, welche nachfolgend auch als Faserverbundkunststoff (FVK) bezeichnet wird, lässt sich so verbessern.
In einer weiteren sehr günstigen Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass metallische Anschlusselemente in das Material des gasdichten Innenbehälters integriert ausgebildet sind. Derartige metallische Anschlusselemente, welche beispielsweise Anschlüsse zum Befüllen und Entleeren der Vorrichtung oder zum Verbinden mehrerer Vorrichtungen untereinander aufweisen, lassen sich gemäß dieser Ausgestaltung einfach und effizient in das Material integrieren und werden bei der Herstellung zumindest teilweise mit dem Material des gasdichten Innenbehälters ummantelt. Dadurch entsteht ein Verbundbauteil aus der eigentlichen Hülle des gasdichten Innenbehälters und den metallischen Anschlusselementen. Dieses ist dennoch entsprechend leicht und in der Herstellung vergleichsweise einfach. Es erlaubt einen sicheren und zuverlässigen dichten Aufbau des gasdichten Innenbehälters ebenso wie das einfache und effiziente Anschließen von Leitungselementen oder Ähnlichem an der Vorrichtung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass die wenigstens eine geflochtene Schicht mit einem Kunststoffmantel umgeben ist. Ein solcher Kunststoffmantel kann beispielsweise durch ein nachträgliches Umspritzen des Aufbaus aus gasdichtem Innenbehälter und der wenigstens einen Schicht aus FVK erfolgen. Dieses Umspritzen mit dem Kunststoffmantel erlaubt dabei eine bessere Reproduzierbarkeit der Oberflächengüte und der Anschlussmaße der Vorrichtung, es schützt die Schicht aus FVK vor mechanischen Beschädigungen, beispielsweise im Crashfall eines mit der Vorrichtung als Druckgasspeicher ausgerüsteten Fahrzeugs, und es erlaubt zusammen mit der wenigstens einen Schicht aus FVK die Realisierung von sehr guten Dämpfungseigenschaften der Vorrichtung. Außerdem lässt sich die Funktionsintegration erhöhen, da beim Ummanteln durch einen Spritzgussprozess sehr einfach und effizient Halterungen, Aufnahmen für Sensoren und dergleichen in die Ummantelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung integriert werden können. Auch die dauerhafte Integration von Sensoren oder anderen Funktionselementen in die Ummantelung ist möglich.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich dabei ferner aus den restlichen hier nicht diskutierten abhängigen Vorrichtungsansprüchen und werden anhand eines später noch beschriebenen Ausführungsbeispiels deutlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines derartigen Behälters sieht es nun vor, dass in einem ersten Verfahrensschritt der gasdichte Innenbehälter hergestellt wird, und dass in einem zweiten Verfahrensschritt der gasdichte Innenbehälter mit wenigstens einer Lage aus mit einem Matrixmaterial vorimprägnierten Faserbündeln umflochten wird, wobei das Matrixmaterial zumindest punktuell aufgeschmolzen wird.
Das Herstellungsverfahren nutzt den im ersten Verfahrensschritt hergestellten gasdichten Innenbehälter als Träger für das Aufbringen wenigstens einer Lage aus mit dem Matrixmaterial vorimprägnierten Faserbündeln durch Umflechten. Das Umflechten bietet dabei gegenüber einem Umwickeln den entscheidenden Vorteil, dass dieses eine deutlich schnellere Ablage der Faserbündel als das Umwickeln erlaubt. Außerdem werden beim Flechten die Faserverläufe in Richtung der zu erwartenden Kräfte oder zumindest deutlich mehr in Richtung der zu erwartenden Kräfte verlaufen als bei einem rein radialen Umwickeln. Dadurch wird mit weniger Material, und dadurch kostengünstiger, eine bessere Aufnahme der zu erwartenden Kräfte realisiert. Das Matrixmaterial wird dann zumindest punktweise aufgeschmolzen. Dieses punktweise Aufschmelzen des thermoplastischen Matrixmaterials verbindet die einzelnen Faserbündel untereinander, um eine feste Ummantelung mit Faserverbundkunststoff (FVK) zu erreichen. Anders als beispielsweise bei einem duroplastischen Aufbau mit einem aushärtenden Epoxidharz ergibt sich so eine Verbindung der Faserbündel sowohl innerhalb einer Schicht als auch innerhalb der verschiedenen Lagen untereinander, sodass ein außerordentlicher leichter und stabiler Verbund entsteht.
Dabei ist es vorgesehen, dass der gasdichte Innenbehälter aus wenigstens zwei thermoplastischen Kunststoffen hergestellt wird. Der Aufbau des gasdichten Innenbehälters aus wenigstens zwei thermoplastischen Kunststoffen erlaubt beim Aufschmelzen zumindest der ersten Lage der aufgeflochtenen Faserbündel ein Aufschmelzen der Kunststoffschicht des Innenbehälters, sodass auch der Verbund zwischen den aufgeflochtenen Faserbündeln und dem gasdichten Innenbehälter in idealer Weise realisiert werden kann. Ein derartiger gasdichter Innenbehälter kann beispielsweise durch sequentielles Blasformen oder Extrusionsblasformen, insbesondere aber durch Koextrusionsblasformen, hergestellt werden. Der Vorteil beim Koextrusionsblasformen besteht darin, dass verschiedene Schichten, derzeit typischerweise bis zu sieben Einzelschichten verschiedener Materialien, in einem Arbeitsschritt hergestellt werden können. Dadurch werden ideale Eigenschaften hinsichtlich Gewicht, Stabilität und Dichtheit gegenüber dem zu speichernden Gas oder der zu speichernden Flüssigkeit erreicht.
Eine besonders günstige verfahrenstechnische Ausgestaltung sieht es dabei vor, dass der gasdichte Innenbehälter über zwei Roboter an seinen Enden gehalten und durch eine Radialflechtmaschine mit wenigstens einem Flechtauge geführt wird. Dies ermöglicht eine sehr hohe Freiheit bei der Wahl der Ablagewinkel beim Flechten, da durch die Halterung mit zwei Robotern Bewegungen des gasdichten Innenbehälters als Grundlage für die verflochtenen Faserbündel in alle Raumrichtungen möglich sind und so eine ideale Anpassung der Flechtung an die zu erwartenden Kraftverläufe realisiert werden kann. Insbesondere kann dabei auch ein sicheres und zuverlässiges Umflechten der typischerweise kuppelartigen Enden mit realisiert werden.
Dabei werden typischerweise nicht nur eine, sondern mehrere Lagen der Faserbündel übereinander geflochten und in der genannten Art und Weise punktuell aufgeschmolzen, um eine Verbindung zwischen ihnen zu erzielen. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt dieses Aufschmelzen im zweiten Verfahrensschritt dabei so, dass nach dem Eintrag von Wärme zum Aufschmelzen des Matrixmaterials dieses mechanisch, insbesondere über Walzen oder Spannbänder, verdichtet wird. Das Matrixmaterial wird in dieser besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens also nicht nur aufgeschmolzen, sondern nach dem Aufschmelzen mechanisch verdichtet. Dadurch entsteht ein sehr dichter Aufbau, welcher insbesondere beim Aufschmelzen entstehende Gasblasen weitgehend aus dem Material austreibt, sodass mit minimalem Einsatz an Material die maximale Festigkeit erzielt wird.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei ferner vorgesehen, dass das Aufschmelzen über einen Hybridlaser erfolgt. Ein solcher Hybridlaser verbindet dabei einen Aufbau zur Aussendung von infraroter Strahlung mit einem Laserstrahl, um so eine Vorwärmung der Umgebung ebenso wie das punktgenaue Aufschmelzen des Materials mit einem einzigen Werkzeug zu erreichen. Dies senkt die Herstellungszeit und die mit ihr verbundenen Prozesskosten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass in einem dritten Verfahrensschritt der Aufbau aus dem gasdichten Innenbehälter und der wenigstens einen geflochtenen Lage mit einem Kunststoffmaterial ummantelt wird. Ein solches Kunststoffmaterial kann beispielsweise durch Spritzgießen aufgebracht werden und erlaubt es, die beim vorrichtungsgemäßen Aufbau beschriebenen Vorteile zu erzielen.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieses dritten Verfahrensschritts ist es darüber hinaus vorgesehen dass die Vorrichtung während des Spritzgießens bedruckt und auf Dichtheit geprüft wird. Die Beaufschlagung des Inneren der Vorrichtung – beispielsweise mit einem Prüfgas oder dergleichen – mit Druck erlaubt es, dass der Aufbau während des Spritzgießens sehr stabil bleibt, sodass dieser in der Spritzgussmaschine ummantelt werden kann, ohne dass durch ein Zusammendrücken der Vorrichtung ein unnötig dicker Mantel des Kunststoffmaterials entsteht. Die Bedruckung hat außerdem den entscheidenden Vorteil, dass so während des Spritzgießens der Ummantelung die Vorrichtung auf Dichtheit geprüft werden kann, sodass durch die Prozessintegration von Spritzgießen und Prüfen ein nachfolgender Prüfschritt entfällt. Die Vorrichtung kann so in einer noch einfacheren und kostengünstigeren Prozessführung hergestellt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den restlichen Verfahrensansprüchen beschrieben. Sie ergeben sich auch aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel, welches, unter Bezugnahme auf die Figuren, eine besonders bevorzugte beispielhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung;
2 Verfahrensschritte beim Herstellen eines gasdichten Innenbehälters gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 Verfahrensschritte beim Herstellen eines gasdichten Innenbehälters gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 eine Darstellung des Flecht-Wickelkonzepts der Außenschale in einem ersten Verfahrenstand;
5 eine frei bewegliche Lagerung des gasdichten Innenbehälters mittels Robotern in der Darstellung der Bewegungsmöglichkeiten;
6 eine Detaildarstellung des Aufschmelzens des Matrixmaterials;
7 verschiedene mögliche Faserbündel;
8 eine fehlerhafte Faserablage;
9 eine Faserablage unter Vermeidung von Fehlern;
10 eine Prozessstruktur der Verbunderzeugung;
11 einen Prozessablauf der Konsolidierung mittels Walzen in zwei Bereichen;
12 eine Ausbildung der Polkappen in einer ersten Variante;
13 eine Ausbildung der Polkappen in einer weiteren Variante;
14 eine Gesamtübersicht des Verfahrensablaufs.
In der Darstellung der 1 ist ein Druckbehälter beziehungsweise Behälter 1 in einer besonders günstigen Ausführungsform gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem gasdichten Innenbehälter 2, dem sogenannten Inliner beziehungsweise Liner 2. Dieser Liner 2 weist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an seinen beiden Enden metallische Anschlusselemente 3 auf, welche in später noch näher beschriebener Art und Weise als Einleger 3 bei der Herstellung des Liners 2 mit diesem verbunden werden. Diese können in der hier dargestellten Ausführungsform ein entsprechendes Anschlussgewinde 4 und optional ein integriertes Überdruckventil 5 aufweisen. Durch die metallischen Anschlusselemente 3 lässt sich der Behälter 1 füllen beziehungsweise entleeren, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist er außerdem mit einer Dichtkappe 6 im Bereich der metallischen Anschlusselemente 3 versehen. Der mit den metallischen Anschlusselementen ausgeformte Liner 2 ist mit wenigstens einer Lage Faserbündeln 7, sogenannten Rovings, umflochten. Diese Rovings 7 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in ein thermoplastisches Matrixmaterial 8 eingebettet und, wie durch die Striche angedeutet, in einer Flechtstruktur F um den Liner 2 geführt. Durch punktuelles Aufschmelzen des Matrixmaterials 8 entsteht so eine stabile Außenschale 9, welche nachfolgend auch als Faserverbundkunststoff(FVK)-Schale 9 bezeichnet wird.
Ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Druckbehälters 1 beginnt mit der Herstellung des gasdichten Innenbehälters beziehungsweise Liners 2. Gemäß einer ersten Variante kann dieser Liner 2 durch Koextrusionsblasformen hergestellt werden. Als wesentliches Element des Behälters 1 dient ein mehrlagiger thermoplastischer Liner 2 als Stützgerüst für die Aufbringung des Geflechts sowie als Barriere gegenüber der Permeation von Gasen (Diffusionssperre). Der Liner 2 wird als Blasform ausgeführt, wobei bereits alle Aufnahmen für später benötigte Armaturen integriert sind. Die metallischen Anschlusselemente 3 (Einleger) können vor dem Extrusionsprozess in die Werkzeugform (zweiteilig) 10 eingelegt werden und dienen dann beim Aufblasen des Liners 2 auch gleichzeitig als Druckluftanschlüsse, wie dies in den 2a (nur untere Hälfte dargestellt) und 2b zu erkennen ist. Durch die Integration der Anschlusselemente 3 in den Herstellungsprozess des Liners 2 kann ein optimaler Formschluss zwischen Metallteil und Kunststoffliner erreicht werden, der auch eine entsprechende Dichtheit gewährleistet. Durch die trichterförmige Gestaltung des Metallteils 3 kann außerdem eine optimale Kraftleitung von Anschlusselement 3 über Liner 2 in die Außenschale 9 gewährleistet werden, was die mechanische Leistungsfähigkeit des Druckbehälters 1 weiter steigert.
Die Herstellung der Blasform soll durch sequentielles Blasformen, Extrusionsblasformen oder insbesondere durch das Koextrusionsblasformverfahren erfolgen. Dieses Verfahren bietet vor allem den Vorteil, dass durch die Verwendung von bislang bis zu sieben Extrudern, welche jeweils mit separatem Extrusionsmaterial, insbesondere thermoplastischen Kunststoffen wie PP, PE-HD, EVOH, EVAL, PTFE, PA, PPA, PEEK, bestückt werden können, die simultane Herstellung eines bis zu sieben Lagen aufweisenden Liners 2, wie es in 2b dargestellt ist, über einen einzigen Blaskopf 11 möglich ist. Damit kann der Liner 2, durch die gezielte Wahl der Schichtkombination, insbesondere durch die Auswahl des die Verbundschicht bildenden thermoplastischen Kunststoffs, hinsichtlich seiner Mediendichtheit sowie seiner mechanischen Eigenschaften optimal auf den jeweiligen Anwendungszweck abgestimmt werden. Für die äußere Schicht des Liners 2 wird dabei ein dem Matrixmaterial 8 der Außenschale 9 entsprechender bzw. gut haftender Kunststoff (z. B. PA, PPA, PP, PEEK) verwendet, sodass ein optimaler Verbund zwischen Liner und FVK-Schale 9 entsteht.
Alternativ kann der Liner 2 als Sinterbauteil ausgebildet werden, insbesondere hergestellt durch das Kunststoffrotationssinterverfahren. Dabei wird das Kunststoffgranulat sowie Einlegerteile 3 in die Sinterform eingebracht und diese in eine Heizkammer gegeben. Hier wird die Form in biaxiale Rotation versetzt. Durch die Erwärmung der Form schmilzt die Matrix in der Formkammer, setzt sich an den Formwandungen ab und umschließt die Einlegeteile 3. Der so erhaltene Liner 2 kann nach dem Abkühlen der Sinterform entnommen werden. Das Rotationssintern bietet die Vorteile einfacher Formwerkzeuge mit einfach änderbarer Formgeometrie (Adaption des Behälters für verschiedene Baureihen) sowie spannungsarme, nahtfreie Produkte, was für den Behälter besonders wichtig ist, um innere Spannungen zu minimieren und Kerbstellen (Naht) zu verhindern. Weiterhin können beim Herstellprozess problemlos weitere Kunststoff oder Metallkomponenten in die Sinterform integriert werden, sodass z. B. Montagepunkte durch eingesinterte Gewindebuchsen bzw. Anschlüsse durch eingesinterte Metalleinleger realisiert werden.
Eine Alternative zu einem Liner 2 aus Kunststoff ist die Herstellung eines Liners 2 aus einem metallischen Material, insbesondere aus Edelstahl oder Aluminium. In den Darstellungen der 3 wird ein solches Herstellungsverfahren gezeigt. Hierbei wird der metallische Liner 2 ausgehend von einem Rohr 12, welches an beiden Enden mit Druckanschlüssen 13 versehen ist, durch die Wirkung einer turbulenten Heißgasströmung H in einem entsprechenden Formwerkzeug 14 ausgeformt. Durch die Nutzung einer turbulenten Gasströmung, welche etwa dieselbe Wärmekapazität besitzt wie Öl, steht eine hohe Energiemenge für den Umformprozess zur Verfügung. Wie bei konventionellen IHU-Prozessen unter Nutzung von Wasser oder Öl als Druckmedium, wird durch die Erwärmung des Umformmaterials bis in den fließfähigen Bereich der Umformprozess erleichtert. Da für das Umformen Luft bzw. ein Inertgas statt eines Fluides genutzt wird, gestaltet sich der Prozess deutlich einfacher als bisher, außerdem können Probleme, wie etwa die Verträglichkeit des Druckmediums mit dem umzuformenden Metall (Korrosion, Versprödung, Oxidation, Diffusion) vermieden werden.
Der Nachteil eines metallischen Liners 2 ist die schlechtere Verbundhaftung mit dem Kunststoffmaterial 8 der Außenschale 9, welche zusätzlich durch Primerauftrag (Haftvermittler) unterstützt werden muss, und das höhere Gewicht im Vergleich zum Kunststoffliner. Im Vergleich zu den Varianten eins und zwei verfügt der Metallliner über eine höhere Formstabilität, was insbesondere im Fall von sehr stark belasteten Strukturen von Vorteil ist und höhere Fadenspannungen beim Flechten der Außenschale 9 zulässt, was wiederum eine verbesserte Geflechtstabilität zur Folge hat. Für die Auswahl eines geeigneten Liners ist neben dem Gewicht, den Kosten und der Mediendichtheit vor allem die Formstabilität entscheidend. Auf Grund der hohen Anforderungen hinsichtlich der Betriebsfestigkeit von Druckbehältern (zyklische Beaufschlagung mit Druck, Kontraktion) können Aluminiumliner nur für Betriebsdrücke < 350 bar (Klasse III) eingesetzt werden. Für höhere Drücke (Druckbehälter Klasse IV) werden ausschließlich Kunststoffliner, wegen ihrer besseren Zyklenfestigkeit und der somit geringeren Gefahr von Mikrorissen im Liner 2, eingesetzt.
Die faserverstärkte Außenschale 9 wird durch laserunterstütztes Umflechten des Liners 2 ausgebildet. Das Umflechten erfolgt derart, dass durch Variation der Flechtwinkel ein für den jeweiligen Abschnitt des zylindrischen Druckbehälters 1 optimaler Faserwinkel gewählt werden kann, insbesondere an den kuppelförmigen Endkappen. Zusätzlich werden in das Geflecht unidirektionale (UD) Verstärkungsfasern (Carbonfaser, Glasfasern, Aramidfaser, Stahllitzen) integriert. Um diese, insbesondere entlang der Längsachse, belastungsgerecht ablegen zu können, besteht die Möglichkeit den Liner neben der Rotation um die Längsachse auch um seine Hochachse um kleine Winkel zu rotieren. Dabei kann die Drehzahl der rotatorischen Bewegung um die Längsachse gemäß dem gewünschten Ablagewinkels eingestellt werden. Insbesondere die oberen Lagen der Außenschale 9 werden durch die Kombination der Flecht- und Wickeltechnik auf den Behälterkörper aufgebracht, dies ist insbesondere notwendig um eine belastungsgerechte radiale Faserablage (ca. 90°) zu erreichen, welche für das Aufnehmen von Zugspannungen in Folge des hohen Innendrucks im Betrieb unabdingbar sind.
Für das Wickeln der Oberlage des Zylinders wird ein zusätzlicher mit einem Wickelkopf ausgestatteter Industrieroboter eingesetzt. Durch die bewegliche Lagerung des Flecht-/Wickelkerns (Liner 2) mit Hilfe zweier Roboter 15, kann der Liner 2 dreidimensional im Raum bewegt werden, sodass eine beliebige Faserorientierung bei der Faserablage einstellbar ist (ca. 0° bis ca. 90°). In den 4 und 5 ist dies prinzipmäßig dargestellt. In 4a ist der Liner 2 zwischen den beiden Robotern 15 eingespannt und wird durch eine Radialflechtmaschine 16 mit zwei Flechtaugen 17, 18 geführt. Die beiden Roboter 15 können den Liner 2 dabei insbesondere im Bereich der Anschlusselemente 3 fassen, beispielsweise in dem die Roboter 15 ein zum Gewinde 4 oder einem Innengewinde passendes Gegengewinde aufweisen, über welches die Verbindung zwischen dem Liner 2 und den Robotern 15 realisiert werden kann. In der Darstellung der 4a ist dabei die Endposition der ersten Durchlaufrichtung D gemäß dem eingezeichneten Pfeil dargestellt. Über das erste Flechtauge 17 ist dabei eine erste Lage der Faserbündel 7 auf den Liner 2 aufgeflochten worden. In der Darstellung der 4b ist die andere Durchlaufrichtung D gezeigt, in welcher eine zweite Lage mit Hilfe des zweiten Flechtauges 18 über die erste Lage geflochten wird. Dieser Vorgang kann sich mehrfach wiederholen, sodass mehrere geflochtene Lagen den Liner 2 umgeben. In der Darstellung der 4c ist in einer weiteren Darstellung ein zusätzlicher Wickelkopf 19 zu erkennen. Dieser wickelt eine Zwischenschicht von radial gewickelten Faserbündeln 7, welche entweder zwischen zwei geflochtenen Lagen angeordnet sein kann, oder welche beispielsweise als Abschlussschicht der Außenschale 9 dient. Die Darstellung der 5a bis 5c zeigen dabei die Möglichkeiten der Bewegung des Liners in der Radialflechtmaschine 16, welche so nur durch die Aufnahme mit einem beziehungsweise idealerweise zwei Roboter 15 ermöglicht wird. In der Darstellung der 5a ist eine Ansicht von oben gezeigt, welche eine Drehung um die Y-Achse, also die Längsachse, darstellt. In der in 5b gezeigten Seitenansicht ist eine Drehung um die Y-Achse, also die Längsachse, sowie eine Rotation um die X-Achse, also die Querachse, dargestellt. In der Ansicht der 5c, welche ebenfalls wieder eine Ansicht von oben zeigt, ist eine Drehung um die Y-Achse zusammen mir einer Rotation um die die Z-Achse, also die Hochachse, dargestellt.
Die Außenschale 9 wird schichtweise aufgeflochten, dabei wird das sich bildende Geflecht je nach Abzugsrichtung am Flechtauge 17, 18 umgelenkt und legt sich auf dem Kern ab. Das Wenden an den Umkehrpunkten an den Kernenden wird dadurch realisiert, dass um wenige Zentimeter über den Kern hinaus geflochten wird. Das Geflecht zieht sich hinter dem Kern aufgrund der Fadenspannung zusammen, was ausreicht um ein Rutschen der Lagen beim Flechten in die Gegenrichtung zu unterbinden. Durch die Ausprägung einer Kante an den Behälterenden kann das Abrutschen des Geflechts ebenfalls verhindert werden.
Jede Schicht wird unmittelbar nach der Fadenablage auf dem Flechtkern (Liner 2) durch einen radial rotierenden Scannerlaser (Hybridlaser 20) bis zur Schmelztemperatur des Matrixmaterials erwärmt und nachfolgend unter dem von den Andruckrollen bzw. Walzen 21 aufgebrachten Druck sofort fixiert bzw. konsolidiert, wie dies in 6 dargestellt ist. Der Hybridlaser 20 umfasst dabei eine Quelle für Laserstrahlung 22 und Infrarotstrahlung 23. Er kann außerdem mit einem Scanner 24 zur Positionierung versehen sein.
Der Vorteil des so beschriebenen Verfahrens liegt neben der kurzen Prozesszeit hauptsächlich in der Möglichkeit des UD-Flechtens, also der quasi ondulationsfreien Ablage der Flechtfäden (auch Hybridgarn oder Prepregtapes) während des Flechtprozesses, da durch die sofortige nachfolgende Konsolidierung keine ausgeprägte Stabilität des Flechthalbzeugs gewährleistet sein muss, wodurch hohe Biegeradien, welche ein vorzeitiges Versagen der Versteifungsfasern fördern würden, vermieden werden. Geeignete Varianten für Faserbündel sind in der Darstellung der 7a und 7b zu erkennen. Die Darstellung in 7b zeigt dabei einen sogenannten Hybridroving als Faserbündel 7, welcher in seinem Aufbau aus undirektionalen Verstärkungsfasern 25 und diesen umflechtende Bändchen 26 die bevorzugte Variante eines Faserbündels 7 zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren darstellt.
Zur Vermeidung der fehlerhaften Ablage von zu ein und derselben Schicht gehörenden Fasern (auch Prepregtapes), etwa ein übereinander Legen der Flechtfäden oder deren Aufspreizung, ist außerdem die Verwendung einer sensorgestützten/sensorgeführten Führungsrolle 27 (Fadenaugen) angedacht. Eine solche fehlerhafte Ablage ist in 8 dargestellt. Die Vermeidung derartiger Fehler über die Führungsrolle 27 ist in 9 samt Sensor/Scanner 28 zu erkennen. Somit kann für die Faserverbund-Außenschale 9 eine verbesserte Verbundhomogenität erreicht werden, Lunker, Einschlüsse oder sonstige Fehlstellen im Laminat können effektiv reduziert werden.
Als Faserbündel 7 können thermoplastbasierte (z. B. PA, PPA, PEEK) fein verteilte Kohlefaserhybridgarne, UD-Prepregs oder Gewebebändchen mit entsprechender für den verwendeten Thermoplast passenden Schichten verwendet werden, die von der Radialflechtmaschine 16 dem Flechtprozess zugeführt werden. Das Material für die Prepregs kann mit einer Doppelbandpresse hergestellt, alternativ kann die Herstellung auf einer AUMA-Anlage erfolgen, und anschließend über Kreismesser zu schmalen Prepregs bzw. Prepregbändchen geschnitten.
Um eine hohe Produktqualität zu erreichen (verbesserte Oberflächenqualität), ist es besonders wichtig, dass die Abkühlung im Konsolidierungsprozess unter Druck stattfindet. Zum einen um einen fasten Verbund zu erzeugen und zum anderen um Lufteinschlüsse zu verringern (< 3%). Hierfür gibt es die Möglichkeit über zusätzliche Andruckrollen den nötigen Druck zu erzeugen, um einen festen Verbund zu erzielen. In 10 ist dies entsprechend dargestellt. Der Flechtprozess wird in der Weise von mehreren radial rotierenden Hybridlaser 28 unterstützt, als das ein Laser die Matrix in der Vorwärmzone erwärmt und somit die Formstabilität des Geflechts (Bindefäden/Bändchen) verringert, damit diese sich optimal an den Flechtkern (Liner 2) anschmiegen können. Der bereits erwähnte über Sensoren 24 gesteuerter Hybridlaser 20 bringt konzentriert eine regelbarer Energiemenge in die Schmelzzone ein, sodass die erwärmte Matrix in einem nur begrenzten Abschnitt im Flechtbereich aufschmilzt (WEZ 2) und die Fasern somit optimal in die Matrix eingebettet werden.
Eine oder mehrere nacheinander angeordnete Walzen 21 bzw. Andruckrollen oder Andruckrollenpaare, die flexibel gelagert sind um auch im Anfangs- und Endbereich des Druckkörpers ein optimales Konsolidierungsergebnis zu erzielen, verfestigen dann den Verbund, sodass ein möglichst ideal homogener Verbund mit einem hohen Faservolumengehalt entsteht und Fehlstellen sowie Matrixanhäufungen vermieden werden. In den 11a und 11b ist diese Konsolidierung über Walzen 21 nochmals für die verschiedenen Bereiche dargestellt, wobei die Walzen 21 durch geeignete Roboterarme 29 in den Bereich des Behälters 1 geführt werden, umso sowohl im Mittelteil als auch im Bereich der Pole eine ideale Konsolidierung des Materials der Außenschale 9 zu erreichen.
Der nötige Druck könnte auch durch zwei Andruckbänder realisiert werden. Die beiden Stahlbänder ziehen gegeneinander und erzeugen somit eine Flächenlast auf den umflochtenen Druckkörper. Der aufgebrachte Druck muss möglichst konstant in den Druckbehälter 1 eingeleitet werden, um dessen Kollabieren durch die verringerte Festigkeit der noch unvollständig konsolidierten (noch warmen) Matrix zu verhindern. Dies kann durch die Wahl eines möglichst großen Umschlingungswinkels erreicht werden. Weiterhin muss bei der Verwendung des Bandsystems zur Nachkonsolidierung des Behälters 1 darauf geachtet werden, dass keine Kerben in dessen Außenschale eingebracht werden oder eine Verschiebung des Geflechts durch die Bandkante erfolgt. Dieses Problem kann durch die Anwendung von Bändern von leicht nach oben abgewinkelten Einführkanten wirkungsvoll umgangen werden. Einen weiteren Vorteil, den die Verwendung von Bändern bietet, ist die Möglichkeit der aktiven Kühlung des Bandes, wodurch die im FVK befindliche Restwärme schneller abgeführt werden kann und sich somit die Aushärtezeit deutlich verkürzt, was wiederum die Prozesskosten senkt.
Um den Konsolidierungsprozess weiter zu optimieren, kann des Flechtmaterial zusätzlich zu den Hybridlasern 20, 28 mittels Infrarotstrahlung, ggf. auch durch zusätzliche IR-Strahler, vorgewärmt werden. Dies führt zu einem schonenden Erwärmungsprozess des Flechtmaterials. Dabei werden zwei Hybridscannerlaser 20 verwendet, die von beiden Seiten der radial um den Flechtkörper angeordneten Andruckrollen 21, welche für das Herauswalzen von Poren und somit eine verbesserte Faserimprägnierung und Verbundkonsolidierung benötigt werden, die Matrix erhitzen und somit das Verschweißen optimieren. Da für das Aufschmelzen der Matrix nur relativ geringe Energien bzw. Temperaturen benötigt werden, können Laser mit geringer Energiedichte (faserschonender) verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Hybrid-Scannerlaserkopfes 20, da dieser durch seine spezielle Ausprägung eine relativ breite Schmelzzone schafft, gleichzeitig kann durch den am Laserkopf befindlichen Infrarotstrahler schon vor dem Schmelzen schonend Wärme in das Flechtmaterial eingebracht werden und somit auch die Prozesseffektivität gesteigert werden kann, was die Prozessdauer senkt. Durch das Vorwärmen mittels Heizung, insbesondere durch des Wirken von Infrarot-, UV- oder Mikrowellenstrahlung, werden nicht nur die Matrix sondern auch die Verstärkungsfasern schonend erwärmt. Die Erwärmung erfolgt in mehreren Zonen (Beeinflussung aufsteigender Prozesswärme), in denen die Temperatur durch berührungslose Messung (z. B. IR) steuerbar ist und somit optimal auf den Prozess und das verwendete Matrixmaterial (unterschiedliche Schmelztemperaturen von z. B. PA, PPA, PEEK) angepasst werden kann. Dies kann im Weiteren thermisch induzierte Eigenspannungen, in Folge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Faser und Matrix verhindern.
Die Ausprägung der Polkappen durch eine faser- und belastungsgerechte Ablage der Verstärkungsfasern war bisher nur wickeltechnisch umsetzbar. Mit der bereits beschrieben Anordnung bzw. Lagerung des Flechtkerns (Liner 2) durch Roboter 15, besteht nun aber die Möglichkeit den Kern, ähnlich wie bei einer Wickelanlage, zu rotieren (vgl. 5). Durch eine variable Steuerung der Zuführung der Menge der Flecht- bzw. Stehfäden durch die Ab- bzw. Zuschaltung einzelner Klöppelsektionen können gestreckte Fadenlagen erzeugt werden, wodurch lediglich mit Hilfe der Radialflechtmaschine 13 0°-Verstärkungslagen eingebracht werden können. Durch die Erweiterung des Legens von 0°-Lagen um eine Rotation des Kerns bei gleichzeitiger Translation dessen, kann nun der Faserwinkel der gestreckten Lage variiert werden. Dies geschieht durch die Abstimmung der Abzugsgeschwindigkeit von den Klöppelspulen mit der Rotation sowie der Translation des Kerns, bei stillstehenden Klöppeln (kein Verflechten der Fäden/Bändchen), Das Verhältnis von Translationsgeschwindigkeit zu Rotationsgeschwindigkeit des Kerns bestimmt den Ablagewinkel (langsame Rotation und schnelle Translation führt zu kleinen Ablegewinkeln, schnelle Rotation und langsame Translation zu großen Winkeln). Durch einen mittels Wickelroboter eingebrachten möglichst radial gewickelten Matrixfaden kann die gestreckte Faserlage zusätzlich stabilisiert, bzw. fixiert werden, was aber durch das sofortige Konsolidieren, der Lagen mittels des bereits beschriebenen Hybridlasers 20 nicht zwingend notwendig ist. Außerdem kann so zusätzlich Matrixmaterial 8 für eine optimierte Konsolidierung eingebracht werden.
Besondere Vorteile hat die erläuterte Ausprägung von gestreckten Lagen an den Polkappen. Die am Pol einlaufenden gestreckten Fäden werden durch eine Rotation des Flechtkerns um ca. 270° um den Pol bzw. das Anschlusselement 3 „gewickelt”, dadurch werden sie auch untereinander verspannt, wie in 12 angedeutet. Durch die Wahl einer sehr langsamen Translationsgeschwindigkeit kommt es zur Ausbildung einer fasergerechten Polkappe in „One Shot”. In rückwärtiger Translation des Kerns kann so nachfolgend eine zweite gestreckte Verstärkungslage gebildet werden, welche die erste gleichermaßen fixiert. Am Auslauf des Kerns wird die Fadenspannung danach kurz erhöht, sodass sich das Geflecht zusammenzieht, jetzt startet die Bewegung der bis zu diesem Zeitpunkt stillstehenden Klöppel und der normale Flechtprozess wird weitergeführt. Durch eine Modifikation der Flechtanlage 16 können die Polkappen, insbesondere die belastungsgerechten Verstärkungslagen (0° und 90°) durch konventionelles Wickeln aufgebracht werden. Hierzu wird das Flechtrad derart in einem Gestell gelagert, dass es ohne jegliche Relativbewegung zum Flechtkörper rotatorisch bewegt werden kann 26. Somit führen Flechtkörper (Liner 2) und Flechtauge 17, 18 eine simultane Rotationsbewegung aus. Ein entlang der Längsachse des Flechtkörpers beweglicher Wickelroboter 30 mit mehreren gleichzeitig agierenden Wickelköpfen führt nun das Verstärkungsmaterial zu, wie in 13 zu erkennen. Das Verstärkungshalbzeug (Hybridroving, Prepregbändchen) wird wie auch beim vorher beschriebenen Flechtprozess durch einen am Ablegekopf angeordneten Hybridlaser am Ablagepunkt aufgeschmolzen und so der Verbund hergestellt. Der Wickelwinkel wird durch das Verhältnis der Geschwindigkeit der translatorischen Bewegung des Wickelroboters 30 zur Rotationsgeschwindigkeit der Flechtanlage 16 samt Flechtkörper 2 bestimmt und ist somit variabel einstellbar.
Durch die sehr geringe Konsolidierungszeit beim Flechten von thermoplastbasierten Verstärkungshalbzeugen (Hybridroving, Prepregbändchen), werden die Prozesskosten sowie die Prozesszeit stark gesenkt.
Im Folgenden kann das fertige Halbzeug (Rohtank) durch zwei Roboter (nicht dargestellt) von der Flechtmaschine 16 abgezogen werden und wird für die Weiterverarbeitung in eine Spritzgussmaschine 32 mit integrierter Dichtheitsprüfeinheit eingelegt. Durch die Online-Prüfung kann wiederum ein sonst separater Verfahrenschritt eingespart werden, gleichzeitig wirkt der von innen wirkende Druck bei der Dichtheitsprüfung als Gegendruck gegen den von außen wirkenden Spritzdruck und verbessert so die Konsolidierung des Verbundes. Weiterer Vorteil einer derartigen Ausbildung (Umspritzung) des Tanks ist die Schaffung einer je nach eingesetztem Spritzgusswerkzeug variablen Umgebungsgeometrie, in der Aufnahmen für Sensoren, Anbindungselemente sowie Versteifungen je nach Bedarf und zur Verfügung stehendem Bauraum eingebracht werden können. Das Umspritzen dient der Nachkonsolidierung. Dadurch kann auch eine Schutzhülle z. B. Rippen zur Crashabsorbtion integriert werden und die Dämpfungsperformance verbessert werden. Durch das Umspritzen ist ein sehr variables Packaging- und Befestigungskonzept möglich was gleichzeitig eine Reduzierung der Montagekosten mit sich bringt. Der gesamte Prozess ist in 14 dargestellt.
In der ersten Station 33 des Herstellungsverfahrens wird in einer der drei eingangs erläuterten Arten der Liner 2 hergestellt. Der Liner wird dann über zwei Roboter 15 gehalten und der Radialflechtmaschine 16 mit den beiden Flechtaugen 17, 18 zugeführt. Der Aufbau mit anschließendem Aufschmelzen und Konsolidieren des Faserverbunds ist im Anschluss an die Radialflechtmaschine 16 in der eingangs genannten Art und Weise angedeutet. Das Ergebnis dieses Fertigungsschritts ist der fertige Rohtank 1 als Halbzeug in der in 1 dargestellten Art. Dieser wird dann an der Spritzgussmaschine 34 zugeführt, um eine Kunststoffummantelung zu erhalten. Gegebenenfalls könnten vorher noch Anschlüsse und dergleichen integriert werden. Gleichzeitig zur Ummantelung in der Spritzgussmaschine wird hier die Dichtheitsprüfung in der oben beschriebenen Art mit ausgeführt. Nach gegebenenfalls weiteren optionalen Prüfungsstationen 35 wie ein Online-Thermoschocktext sowie der eventuellen Montage von Anschlusselementen und dergleichen entsteht dann das in 14 mit 36 bezeichnete einbaufertige Teil.
Durch das beschriebene Verfahren werden die Aushärtezeiten stark vermindert und somit die Herstellungskosten reduziert. Die Verwendung thermoplastischer Matrixsysteme bietet zudem den Vorteil einer verbesserten Verbundhaftung, außerdem ist die Recyclingfähigkeit derartiger Faser-Matrixsysteme vorteilhaft gegenüber duroplastischen Systemen. Durch den Spritzgießprozess eröffnet sich zudem die stark vereinfachte Möglichkeit der Funktionsintegration in das fertige Bauteil.

Claims

Vorrichtung zum Speichern eines unter Druck stehenden gasförmigen oder flüssigen Mediums, mit einem gasdichten Innenbehälter (2) und wenigstens einer den gasdichten Innenbehälter (2) umgebenden Schicht (9) aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial, wobei die wenigstens eine Schicht (9) um den gasdichten Innenbehälter (2) verflochtene mit einem thermoplastischen Matrixmaterial (8) vorimprägnierte Faserbündel (7) aufweist, wobei das Matrixmaterial (8) zumindest punktuell mit dem Matrixmaterial (8) benachbarter Faserbündel (7) und/oder dem Material des Innenbehälters (2) verschmolzen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Innenbehälter (2) aus wenigstens zwei unterschiedlichen Kunststoffen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffe in Schichten übereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Innenbehälter (2) zumindest im Bereich seiner Außenschicht durch ein thermoplastisches Kunststoffmaterial ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Anschlusselemente (3) in das Material des gasdichten Innenbehälters (2) integriert ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Matrixmaterial (8) vorimprägnierte Faserbündel (7) unidirektionale Verstärkungsfasern (25) aufweist, welche von weiteren Fasern und/oder Bändern (26) umgeben sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine geflochtene Schicht (9) mit einem Kunststoffmantel umgeben ist.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung (1) zum Speichern eines unter Druck stehenden gasförmigen oder flüssigen Mediums, mit einem gasdichten Innenbehälter (2) und wenigstens einer den gasdichten Innenbehälter (2) umgebenden Schicht (9) aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffmaterial, wobei in einem ersten Verfahrensschritt der gasdichte Innenbehälter (2) hergestellt wird, und in einem zweiten Verfahrensschritt der gasdichte Innenbehälter (2) mit wenigstens einer Lage (9) aus mit thermoplastischem Matrixmaterial (8) vorimprägnierten Faserbündeln (7) umflochten wird, wobei das Matrixmaterial (8) zumindest punktuell aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Innenbehälter (2) aus wenigstens zwei thermoplastischen Kunststoffen hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Innenbehälter (2) durch sequentielles Blasformen oder Extrusionsblasformen, insbesondere durch Koextrusionsblasformen, hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Innenbehälter (2) durch Rotationssintern hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Anschlusselemente (3) beim Herstellungsprozess des gasdichten Innenbehälters (2) in dessen Material mit eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Innenbehälter (2) über zwei Roboter (15) an seinen Enden gehalten und durch wenigstens eine Radialflechtmaschine (16) mit wenigstens einem Flechtauge (17, 18) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Hindurchführen durch die Radialflechtmaschine (16) in die eine Richtung eine erste geflochtene Lage des Faserbündels (7) und beim Zurückführen in die andere Richtung eine zweite Lage der Faserbündel (7) auf den gasdichten Innenbehälter (2) aufgeflochten wird, und wobei diese Arbeitsschritte bei Bedarf wiederholt werden können.
Verfahren nach Anspruch 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensschritt das zumindest punktuell aufgeschmolzene Matrixmaterial (8) mechanisch, insbesondere über Walzen (21) oder Spannbänder, verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen des Matrixmaterials (8) über wenigstens einen Hybridlaser (20, 29, 30) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme des gasdichten Innenbehälters (2) durch zwei Roboter (15) im Bereich von Anschlusselementen (3) und/oder Gewinden erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem abschließenden Aufbringen der wenigstens einen Lage aus Faserbündeln (7) Funktionselemente, insbesondere Sensoren oder Aufnahmeelemente, montiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Verfahrensschritt der Aufbau aus gasdichtem Innenbehälter (2) und der wenigstens einen geflochtenen Lage (9), sowie gegebenenfalls der Funktionselemente, mit einem Kunststoffmaterial ummantelt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial durch Spritzgießen (34) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdichte Innenbehälter (2) während des Spritzgießens (34) bedruckt und auf Dichtheit geprüft wird.