Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers für hohen Innen- oder Außendruck Process for producing a hollow body for high internal or external pressure
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers für hohen Innen- oder Außendruck gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a method for producing a hollow body for high internal or external pressure according to the preamble of claim 1.
Bekannte Hohlkörper für hohen Innendruck sind in Form von Gasflaschen aus Stahl für technische Gase, wie Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Helium oder dgl., beispielsweise für Schweißzwecke bekannt. Diese Hohlkörper sind für Drücke bis zu über 200 bar ausgelegt. Derartige Hochdruckflaschen müssen in bestimmten Zeitabständen auf Festigkeit geprüft werden, da insbesondere die vorhandenen Schweißnähte eine besondere Gefahrenquelle darstellen. Auch in der Autoindustrie werden Hochdruckbehälter aus Stahl oder Aluminium, beispielsweise zum Aufblasen von Air-Bags oder für die Lagerung von Erdgas (CNG) oder Wasserstoff (H2) für alternative Antriebe, verwendet. Diese Hochdruckbehälter sind für die erforderlichen Betriebsdrücke von bis zu etwa 600 bar und dem festgelegten Berstdruck von bis zu etwa 700 bar relativ schwer und teuer in der Herstellung.Known hollow bodies for high internal pressure are known in the form of steel gas cylinders for technical gases such as oxygen, hydrogen, nitrogen, helium or the like, for example for welding purposes. These hollow bodies are designed for pressures up to over 200 bar. High-pressure bottles of this type must be checked for strength at certain intervals, since the weld seams in particular represent a particular source of danger. High pressure tanks made of steel or aluminum are also used in the automotive industry, for example for inflating air bags or for storing natural gas (CNG) or hydrogen (H 2 ) for alternative drives. These high pressure tanks are relatively heavy and expensive to manufacture for the required operating pressures of up to about 600 bar and the specified burst pressure of up to about 700 bar.
Mit der vorliegenden Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Hohlkörper für sehr hohe Innen- oder Außendrücke wirtschaftlich, fertigungstechnisch rationell, kostengünstig und mit geringem Gewicht herstellen zu können.The object of the present invention is to be able to produce a hollow body for very high internal or external pressures economically, economically in terms of production technology, inexpensively and with low weight.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die gasdichte Schicht relativ dünn und auch aus Kunststoff ausgeführt und bei geringem Gewicht sehr preiswert hergestellt werden.This object is achieved by the method steps specified in claim 1. By means of the method according to the invention, the gas-tight layer can be made relatively thin and also made of plastic and can be produced very inexpensively with a low weight.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:Further advantageous details of the invention are specified in the subclaims and are described in more detail below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the drawing. Show it:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Hohlkörpers, teilweise im Schnitt,1 is a side view of a hollow body according to the invention, partly in section,
Fig. la den durch den Kreis der Fig. 1 gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung,La the section marked by the circle of FIG. 1 in an enlarged view,
Fig. 2 die Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Verfahrensschemas und die2 the representation of the method according to the invention using a method scheme and the
Fig. 3 und 4 vorteilhafte Prozeßabläufe.3 and 4 advantageous process flows.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Hohlkörper mit einer Öffnung 2 bezeichnet. Die Öffnung 2 ist mit einer druckfesten Membran 3 gasdicht abgeschlossen.In Fig. 1, 1 denotes a hollow body with an opening 2. The opening 2 is sealed gas-tight with a pressure-resistant membrane 3.
Der Hohlkörper 1 besteht aus einem inneren gasdichten Vorformling 4, der die nachfolgend aufgeführten Prozesse durchlaufen hat und aus einer diesen einschlußfrei umgebenden Außenschicht 5, die die Druckfestigkeit des Hohlkörpers 1 im wesentlichen bestimmt.The hollow body 1 consists of an inner gastight preform 4 which has undergone the processes listed below and an outer layer 5 which surrounds it without inclusion and which essentially determines the compressive strength of the hollow body 1.
Die Herstellung des Hohlkörpers 1 erfolgt nach den folgenden erfindungsgemäßen Verfahrensschritten:The hollow body 1 is produced by the following process steps according to the invention:
In einem ersten Verfahrensschritt 1) wird ein Vorformling 6, eine sogenannte Preform, für einen aus diesem herzustellenden Innenbehälter 4 aus Metall oder insbesondere aus einem gasdichten, d.h. gegen Gaspermeation hochresistenten Kunststoff hergestellt. Als Kunststoff eignet sich insbesondere
Polyethylen oder Polyethylenterephthalat. Bei Verwendung von Kunststoff besitzt der Vorformling 6 eine Größe von nur etwa 1/3 oder 1/4 der Größe des herzustellenden Innenbehälters 4 oder noch weniger. Der Vorformling 6 besitzt einen Handhabungsteil 7, beispielsweise zum Halten und Manipulieren des Innenbehälters 4 und einen aufzuweitenden Abschnitt 8, der später den eigentlichen Innenbehälter 4 bildet.In a first method step 1), a preform 6, a so-called preform, is produced for an inner container 4 to be produced therefrom from metal or in particular from a gas-tight plastic, that is to say highly resistant to gas permeation. Is particularly suitable as a plastic Polyethylene or polyethylene terephthalate. When using plastic, the preform 6 has a size of only about 1/3 or 1/4 the size of the inner container 4 to be produced or even less. The preform 6 has a handling part 7, for example for holding and manipulating the inner container 4 and a section 8 to be expanded, which later forms the actual inner container 4.
Nach dem Erhitzen des Vorformlings 6 auf Verformungstemperatur in einem Verfahrensschritt 2) wird er in einemAfter heating the preform 6 to the deformation temperature in a process step 2), it is in one
Verfahrensschritt 3) in eine wenigstens zweiteilige erste Form eingesetzt und durch Anlegen eines hohen Innendrucks auf die Form des Innenbehälters 4 aufgeblasen oder aufgeweitet. Dabei tritt im Kunststoff eine Molekülorientierung ein, durch welche die Festigkeitswerte des Kunststoffs wesentlich erhöht werden.Method step 3) inserted into an at least two-part first mold and inflated or expanded by applying a high internal pressure to the shape of the inner container 4. Molecular orientation occurs in the plastic, which significantly increases the strength of the plastic.
Der so erhaltene Innenbehälter 4 kann dann in einem wahlweise durchzuführenden Verfahrensschritt 4) - je nach geforderter Belastbarkeit - mit einer Armierung 9 versehen werden, die in Fig. 1 durch die Kreuzschraffür angedeutet ist. Diese Armierung 9 kann aus Metall, beispielsweise aus hochfestem Stahl, Chromstahl, Chrom-Nickel-Stahl, Kupfer, Messing,Bronce oder aus einem anderen hochfesten Metall oder einer Metallegierung, beispielsweise nach Art von Dosen, wie sie für Limonaden oder Bier handelsüblich sind, oder aus einem hochfesten Kunststoff bestehen. Die Armierung 9 wird in Form von Draht, Gewebe, Geflecht, als Wellrohr, Gewebeschlauch, in Spiralenform oder dgl. über den Innenbehälter 4 geschoben oder auf den Innenbehälter 4 aufgewickelt. Bei der Armierung, insbesondere dem Aufwickeln, wird ein hoher Innendruck im Innenbehälter 4 erzeugt, der beim Armieren eine Deformation desselben ganz oder nahezu ganz verhindert.The inner container 4 obtained in this way can then be provided with a reinforcement 9 in an optional method step 4), depending on the required load capacity, which is indicated in FIG. 1 by the cross hatching. This reinforcement 9 can be made of metal, for example made of high-strength steel, chrome steel, chrome-nickel steel, copper, brass, bronze or of another high-strength metal or a metal alloy, for example in the manner of cans as are commercially available for lemonades or beer. or consist of a high-strength plastic. The reinforcement 9 is pushed in the form of wire, fabric, braid, as a corrugated tube, fabric hose, in a spiral shape or the like over the inner container 4 or wound onto the inner container 4. During the reinforcement, in particular the winding, a high internal pressure is generated in the inner container 4, which completely or almost completely prevents the same from being deformed.
Anschließend an den Verfahrensschritt 4) oder - bei Fortfall desselben - nach dem Verfahrensschritt 3 ) , wird der Innenbehälter 4 bzw. der armierte Innenbehälter 4 in einem Verfahrensschritt 5) in eine weitere wenigstens zweiteilige Form eingesetzt, die größer ist als der Innenbehälter 4 bzw.
der armierte Innenbehälter 4 und darin mit einem hochbelastbaren Kunststoff 10 umspritzt.Subsequent to process step 4) or - if this is no longer the case - after process step 3), in a process step 5) the inner container 4 or the reinforced inner container 4 is inserted into a further at least two-part form which is larger than the inner container 4 or the reinforced inner container 4 and encapsulated therein with a heavy-duty plastic 10.
Anstelle des Umspritzens kann der ggf. armierte Innenbehälter 4 auch in einen polymerisierbaren und aushärtenden Kunststoff aus insbesondere Epoxid- oder Polyesterharz getaucht werden. Er kann auch mit einem Armiermaterial, das mit einer polymerisierbaren und aushärtenden Kunststoffmasse getränkt bzw. umgeben ist, naßumwickelt werden. In diesen beiden Fällen erfolgt die Polymerisation und Aushärtung während des Drehens des Innenbehälters 4 in waagrechter Lage desselben.Instead of overmolding, the optionally reinforced inner container 4 can also be immersed in a polymerizable and hardening plastic made in particular of epoxy or polyester resin. It can also be wet-wrapped with a reinforcing material that is soaked or surrounded with a polymerizable and hardening plastic compound. In both of these cases, the polymerization and curing take place while the inner container 4 is rotating in the horizontal position thereof.
Das Umspritzen oder Naßumwickeln, ggf auch das Tauchen unter Druck erfolgt bei so hohem Innendruck im Innenbehälter 4 , daß dieser durch den Außendruck nicht oder höchstens geringfügig deformiert, insbesondere nicht eingedrückt wird. Vorzugsweise wird ein Kunststoff verwendet, dessen Schwindungsmaß gleich oder größer ist als dasjenige des Vorformlings 6. Geeignet sind Fäden, Gewebe, Geflechte, Filz oder dgl. aus Glas und/oder Kohlenstoff und/oder Mineralien und/oder Kunststoff, insbesondere Aramid.The encapsulation or wet wrapping, if necessary also the immersion under pressure, takes place at such high internal pressure in the inner container 4 that the external pressure does not deform it, or at most only slightly deforms it, in particular it is not pressed in. A plastic is preferably used, the degree of shrinkage of which is equal to or greater than that of the preform 6. Threads, fabrics, braids, felt or the like made of glass and / or carbon and / or minerals and / or plastic, in particular aramid, are suitable.
In einem wahlweise oder bedarfsweise anschließenden Verfahrensschritt 6) wird der umspritzte, getauchte oder naßumwickelt umhüllte und ggf. auch armierte Innenbehälter 4 im noch warmelastischen Zustand oder nach Erhitzen auf eine entsprechende Temperatur in eine weitere, geringfügig größere, wenigstens zweiteilige Form eingebracht und im Innenbehälter 4 ein hoher Innendruck erzeugt. Hierdurch expandiert das Gebilde geringfügig, wobei eine feste Verbindung des umspritzten oder durch Tauchen oder Naßumwickeln aufgebrachten Kunststoffs mit dem Innenbehälter 4 erreicht wird.In an optional or if necessary subsequent process step 6), the overmolded, dipped or wet-wrapped and possibly also reinforced inner container 4 is introduced into a further, slightly larger, at least two-part form in the still warm-elastic state or after heating to a corresponding temperature and in the inner container 4 creates a high internal pressure. As a result, the structure expands slightly, a firm connection of the molded plastic or applied by dipping or wet wrapping with the inner container 4 being achieved.
Nach Entnahme aus der weiteren, also der Spritzgießform des Verfahrensschrittes 5), oder - bei Anwendung des Verfahrensschrittes 6) - aus der weiteren, dritten Form, wird der so entstandene Hohlkörper 1 im Verfahrensschritt 7 )
abgekühlt. Die Abkühlung kann je nach verwendetem Kunststoff 10 nach bestimmten Kriterien nach einer bestimmten Kurve gesteuert werden, um eine möglichst hohe Festigkeit des Hohlkörpers 1 zu erzielen und die Festigkeit des Innenbehälters 4 dabei nicht zu verschlechtern.After removal from the further, that is to say the injection mold of process step 5), or - when using process step 6) - from the further, third mold, the hollow body 1 thus formed is removed in process step 7) cooled down. Depending on the plastic 10 used, the cooling can be controlled according to certain criteria according to a certain curve in order to achieve the highest possible strength of the hollow body 1 and not to deteriorate the strength of the inner container 4.
Anschließend erfolgt im Verfahrensschritt 8) eine Druckkontrolle mit hohem Innendruck. Beispielsweise beträgt der Prüfdruck etwa 120% bis 180% des Betriebsdruckes, der bis zu 600 bar erreichen kann. Der Druck wird zweckmäßig so gewählt, daß er etwa 30% bis 80% kleiner ist als der Berstdruck, der bis zu 700 bar erreichen kann. Der Berstdruck kann z.B. 15% bis 200% größer sein als der Betriebsdruck. Anschließend wird der Hohlkörper 1 im Verfahrensschritt 9) vom Prüfstand genommen, entformt und ausgeworfen.A pressure check with high internal pressure then takes place in process step 8). For example, the test pressure is approximately 120% to 180% of the operating pressure, which can reach up to 600 bar. The pressure is suitably chosen so that it is about 30% to 80% less than the bursting pressure, which can reach up to 700 bar. The burst pressure can e.g. 15% to 200% greater than the operating pressure. The hollow body 1 is then removed from the test bench in process step 9), removed from the mold and ejected.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verfahrensschritt 5) durch folgende Verfahrensschritte ersetzt:According to a variant of the method according to the invention, method step 5) is replaced by the following method steps:
Zunächst wird der aufgeweitete Innenbehälter 4 mit einer Armierung umgeben oder umwickelt, die mit einem Tränkmittel aus einem härtbaren Kunststoff oder - ähnlich den sogenannten bekannten Prepregs - getränkt werden. Zur Armierung werden auch hierbei Fäden, Gewebe, Geflechte, Filz oder dgl. aus Glas-, Kohlenstoff-, Mineral- und/oder Kunststoff-Fasern verwendet. Bei Verwendung von Kunststoff wird vorzugsweise Aramid eingesetzt. Bei der Armierung, insbesondere beim Wickeln, wird wieder ein so hoher Innendruck erzeugt, daß eine Deformation des Innenbehälters 4 verhindert oder nahezu verhindert wird.First, the expanded inner container 4 is surrounded or wrapped with a reinforcement, which is impregnated with an impregnating agent made of a hardenable plastic or - similar to the so-called known prepregs. Threads, fabrics, braids, felt or the like made of glass, carbon, mineral and / or plastic fibers are also used for reinforcement. If plastic is used, aramid is preferably used. When reinforcing, especially when winding, such a high internal pressure is generated that a deformation of the inner container 4 is prevented or almost prevented.
In dem anschließenden Verfahrensschritt wird das Tränkmittel durch geeignete Maßnahmen, z.B. durch Erhitzen, polymerisiert und gehärtet bzw. ausgehärtet.
Bevorzugt ist das Schwindungsmaß beim Polymerisieren und Härten bzw. Aushärten und/oder beim Abkühlen gleich oder größer als dasjenige des Materials bzw. bei einem Mehrschichtaufbau der Materialien des Innenbehälters 4. Es kann nämlich vorteilhaft sein, den Innenbehälter 4 aus mehreren Materialschichten herzustellen, wobei die einzelnen Schichten fest miteinander verbunden sind. Als Materialien hierfür eignen sich vorzugsweise Polyethylen (PE) und/oder Polyethylenterephthalat (PETP).In the subsequent process step, the impregnating agent is polymerized and hardened or hardened by suitable measures, for example by heating. The degree of shrinkage during polymerisation and hardening or hardening and / or during cooling is preferably equal to or greater than that of the material or in the case of a multi-layer construction of the materials of the inner container 4. It can namely be advantageous to produce the inner container 4 from several layers of material, the individual layers are firmly connected. Polyethylene (PE) and / or polyethylene terephthalate (PETP) are preferably suitable as materials for this.
Als Material für die umspritzte Außenschicht 5 oder für das Tränkmittel findet vorzugsweise Epoxid- und/oder Polyesterharz Anwendung.Epoxy and / or polyester resin is preferably used as the material for the overmolded outer layer 5 or for the impregnating agent.
Die weitere Variante des Tauchens kann vorteilhaft wie folgt durchgeführt werden:The further variant of diving can advantageously be carried out as follows:
Der armierte Innenbehälter 4 wird mit einem härtbaren Kunststoff imprägniert oder der Innenbehälter 4 oder der armierte Innenbehälter 4 wird in einen härtbaren Kunststoff getaucht und anschließend unter ständigem Drehen des Innenbehälters 4 in seiner waagrechten Lage der Kunststoff polymerisiert und ausgehärtet.The reinforced inner container 4 is impregnated with a hardenable plastic or the inner container 4 or the reinforced inner container 4 is immersed in a hardenable plastic and then polymerized and cured with constant rotation of the inner container 4 in its horizontal position.
Die Verfahrensschritte 1) bis 9) können in Einzelschritten, oder - wie in Fig. 3 angedeutet - in einem Kreisprozeß oder - wie in Fig. 4 schematisch dargestellt - in einem linearen Prozeßablauf durchgeführt werden.
Process steps 1) to 9) can be carried out in individual steps, or - as indicated in FIG. 3 - in a cyclic process or - as shown schematically in FIG. 4 - in a linear process sequence.