DE102006038379A1 - Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Karl-Heinz Dr. Tölle
Winfrid P. Stoffel
Ingo Mesterheide
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen hochfesten, dünnwandigen und damit leichten Drucktank, wie er zur Speicherung von unter hohem Druck stehenden Gasen oder Flüssigkeiten benötigt wird. Der erfindungsgemäße Drucktank (Abb. 2) erhält seine Druckstabilität bei leichtem Gewicht durch: a) die Herstellung mittels Drückwalztechnik, die durch die bewusste Dickenreduzierung zu einer Aufhärtung des Materials führt. Dadurch wird die Fließspannung und die Zugfestigkeit des verwendeten Materials erhöht. Es können somit Festigkeitswerte der Werkstoffe eingestellt werden, die mit herkömmlichen Verfahren nicht zu erreichen sind. Durch die Anwendung der Drückwalztechnik, ggf. in Verbindung mit dem Einziehen, kann außerdem die Geometrie des Drucktanks kontinuierlich, d. h. ohne Fügeverbindungen bzw. nahtlos hergestellt werden. b) dreidimensionale integrierte Materialstrukturen (Abb. 1), die durch das Drückwalzen oder andere geeignete Umformverfahren in das verwendete Material (1) eingebracht werden und somit zu einer Integralbauweise führen. Diese Materialstrukturen sind vorzugsweise verstärkende Rippen, die zum Beispiel innen längs (2) und außen in Umfangsrichtung (3) verlaufen. Aber auch jede andere Struktur (z. B. Spiralform), die zur Erhöhung der Druckstabilität führen, sind denkbar. Die integrierten Materialstrukturen können neben der verstärkenden Form auch so ausgeführt werden, dass sie eine schwächende Wirkung in Form von definierten Sollbruchstellen haben. Stärkende und ...

Description

  • Stand der Technik
  • Drucktanks erhalten heute Ihre Druckstabilität durch eine dicke Schale ohne Versteifung. Dies führt dazu, dass Erdgastanks wie auch Wasserstofftanks oder Tanks mit anderen Brennstoffen oder Fluiden heute ein sehr hohes Gewicht ausweisen.
  • Im Fahrzeugbau, speziell im Automobilbau, werden zunehmend leichte, dünnwandige Tanks eingesetzt, die ihre notwendige Druckstabilität durch zusätzlich angebrachte Armierungen erhalten, in der Regel bestehen diese aus faserverstärkten Kunststoffen. Die Druckstabilität kann jedoch auch durch zusätzlich auf die Außenhaut des Tanks aufgebrachte, austenitformgehärtete Rohre erzeugt werden.
  • Erfindungsgemäße Lösung
  • Die Erfindung betrifft einen leichten, dünnwandigen Drucktank.
  • Die Anwendung des Drück-/Drückwalzverfahrens führt durch die bewusste Dickenreduzierung zu einer Aufhärtung des Materials, wodurch die Fließspannung und Zugfestigkeit des verwendeten Materials erhöht wird. Man kann damit Festigkeitswerte der Werkstoffe einstellen, die mit herkömmlichen Verfahren wie Streckziehen nicht erreicht werden. Hierdurch wird es möglich, dass man den Drucktank wegen seiner höheren Festigkeitswerte dünner ausführen kann.
  • Durch zusätzliche integrierte verstärkende Materialstrukturen (z.B. Verrippungen in Längs- und Umfangsrichtung) kann die Druckstabilität weiter erhöht werden. Die Geometrien und Abstände der Materialstrukturen können beliebig sein.
  • Die Integrallösung ist also die Ausnutzung der erhöhten Festigkeitseigenschaften des Materials kombiniert mit den angeformten Materialstrukturen, welche die Druckstabilität weiter erhöhen. Diese zwei Prinzipien ermöglichen es, dass der Integraltank den Hochdruckanforderungen genügen kann.
  • Die Verrippung kann im Bodenbereich bis hin zum eingezogenen Bereich verlaufen, jedoch kann sie sich auch auf Teilbereiche des Drucktanks beziehen. Der verrippte Integraltank wie auch der unverrippte Drucktank kann geschweißt oder nahtlos sein.
  • Auch drückgewalzte Tanks ohne Verrippung haben höhere Festigkeitseigenschaften als solche Tanks, die NICHT durch Drückwalztechnik hergestellt werden.
  • Hierbei grenzen sich die Drucktanks ohne Verrippung von ESKA Flowform gegenüber konventionellen Drucktanks durch drei wesentliche Eigenschaften von Konkurrenzprodukten ab:
    • 1. Hohe Festigkeiten der Werkstoffe und damit geringeres Gewicht im Vergleich zu konventionellen Drucktanks.
    • 2. Besondere Herstellungsverfahren der Warm- und Kaltdrückwalztechnik.
    • 3. Mögliche einteilige Lösung ohne Fügestellen
  • Insbesondere austenitformgehärtete dünnwandige Drucktanks mit Zugfestigkeiten von 2800 MPa (Werkstoff 1.7784) finden hierbei großes Interesse. Diese Werkstoffe werden heute NICHT für den Automotive oder Nutzfahrzeugbau eingesetzt, da eine Drückwalzumformung einer Warmumformmaschine besonderer Bauart bedarf Das Warmumformverfahren der Drückwalztechnik grenzt hierbei die Erfindung vollständig gegen bestehende Lösungen ab. Gleiches gilt für den Werkstoff. Verschiedene warm – und kaltumformbare Titanlegierungen sind ebenfalls denkbar, wie z.B. Ti6A14V oder Ti 15-3-3-3.
  • Die Erfindung hebt sich vollständig von anderen Lösungen ab, da sie eine Integralbauweise eines Drucktanks darstellt. Während die Differentialbauweise versteifende Rippen auf einer dünnen Schale vernietet, verschweißt oder mit anderen Fertigungsverfahren verbindet, wird bei der Integralbauweise die Verrippung während des Umformvorgangs an die dünne Schale angeformt.
  • Denkbar ist auch, dass der Drucktank aus zwei eingezogenen Bereichen besteht, die verrippt oder unverrippt sein können. Der Boden wird dann über ein zusätzliches Bauteil im zweiten eingezogenen Bereich verschlossen. Der zweite eingezogene Bereich kann von der Geometrie anders als der erste eingezogene Bereich konstruiert sein. Er kann verrippt oder unverrippt sein.
  • Die beschriebenen unterschiedlichen Tankausführungen können jede für sich eine durch das Drückwalzen bewusst eingebrachte Sollbruchstelle an einer beliebigen Position in Längsrichtung, in Umfangsrichtung oder in Längs- und Umfangsrichtung des Drucktanks aufweisen. Die Sollbruchstelle wird durch bewusste Ausdünnung an einer Erhebung des Dorns an definierten Stellen des Drucktanks während des Drückwalzprozesses eingebracht. Die Sollbruchstelle bei einem Drucktank würde dazu dienen im Falle eines Crashs des Fahrzeugs NICHT zur Explosion des Fahrzeugs zu führen, sondern nur zum Auslaufen bzw. Ausströmen des Treibstoffs dienen.
  • Herstellung der Materialstrukturen
  • Ausgangsmaterial ist eine Ronde, ein Kaltformteil oder ein Schmiedeteil aus Metall, vorzugsweise Stahl, insbesondere austenitformgehärtete Stähle sind von Interesse., z.B. 1.7784. Aluminium oder Titan sind jedoch prinzipiell auch möglich.
  • Die Ausgangsgeometrie des Drucktanks, der Boden beliebiger Geometrie (3), wird mit oder ohne Verrippung in Abhängigkeit von der Größe entweder durch das Herstellverfahren Tiefziehen oder Drücken oder Präzisionsschmieden oder anderen Ur-/Umformverfahren hergestellt.
  • Beim Drückwalzen (4) wird die Geometrie der Materialstrukturen im Dorn ausgefräst. Sie kann aus geradlinigen Ausfräsungen in Längsrichtung des Dorns bestehen, dies im bestimmten Abstand auf dem Umfang. Die Verrippung kann auch spiralförmig auf dem Dorn ausgefräst sein, sie kann auch beliebige Geometrie aufweisen. Dies ist deshalb möglich, weil man beliebige Geometrien auf dem Dorn ausfräsen kann und diese dann während des Drückwalzens an eine dünne Schale anformt.
  • Der Dorn rotiert während des Drückwalzens, die Drückwalzrollen bewegen sich vorwärts oder rückwärts oder bei kombinierten Verfahren zunächst vorwärts und dann rückwärts oder umgekehrt.
  • Die außenliegenden Materialstrukturen werden durch die entsprechend zu steuernden Drückwalzen erzeugt.
  • Beim Abziehen des so erzeugten, rippenverstärkten Körpers weist dieser auf einer Seite als Innendurchmesser den Außendurchmesser des Drückwalzdornes auf.
  • Die Variante des Drucktanks ohne versteifende Rippen wird in gleicher Art und Weise hergestellt.
  • In Rohlinge der Drucktanks die nach oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurden können zusätzlich durch andere Verfahren wie z.B. lokale mechanische Umformungen – oder das Hochdruck-Innen – Umform Verfahren auch noch zusätzliche versteifende Materialstrukturen oder Profilkonturen eingebracht werden.
  • Um einen nahtlosen Integraltank oder einen nahtlosen Tank ohne Verrippung herzustellen, wird der hergestellte Körper durch Einziehen weiterbearbeitet.
  • Der Einziehvorgang bei der Ausführung als nahtlose Drucktankversion geschieht bei erhöhter Temperatur und führt zu unterschiedlichen eingezogenen Geometrien, die aufgrund ihrer Dicke im Anschlussbereich die Verbindung zu Bauelementen der Befüllung und Entnahme des Treibstoffs oder allgemein des Fluids ermöglichen.
  • Der eingezogene Bereich des Integraltanks oder des Tanks ohne Verrippung kann mit einem Gewinde oder einer anderen Anschlussgeometrie versehen werden, um einen Stutzen oder Boss mit dem Integraltank oder Tank zu verbinden.
  • Der Prozess des Einziehens erzeugt unterschiedliche Geometrien, die mit dieser Patentschrift ebenfalls geschützt werden sollen.
  • Der Boden kann flach als auch beliebig gewölbt ausgeführt werden. Er kann massive oder hohle Anformungen z.B. zur Befestigung oder zur Anbringung von Öffnungen oder Ventilen enthalten. Der Boden kann auch selbst als eingezogener Bereich mit einem zusätzlichem Bauteil verschlossen werden.

Claims (11)

  1. Nahtloser oder geschweißter Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung dadurch gekennzeichnet, dass der nahtlose oder verschweißte Drucktank sowohl innen wie auch außen verstärkende Materialstrukturen oder Konturen enthält, die geradlinig, spiralförmig oder beliebige Verläufe aufweisen können.
  2. Nahtloser oder geschweißter Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung dadurch gekennzeichnet, dass der nahtlose oder verschweißte Drucktank mit dem Verfahren der Drück-/Drückwalztechnik hergestellt wird.
  3. Nahtloser oder geschweißter Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung dadurch gekennzeichnet, dass der nahtlose oder geschweißte Drucktank aus einem beliebigen Boden, einem zylindrischen Stück und einem eingezogenen Bereich besteht.
  4. Nahtloser oder geschweißter Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung dadurch gekennzeichnet, dass der nahtlose oder geschweißte Drucktank in der Lösung als Integraltank oder der Lösung als dickwandiger Tank ohne Verrippung mit höchstfesten, austenitformgehärteten Rohren, z.B. 1.7784, versteift wird oder der gesamte Tank aus diesen Material oder einer Titanlegierung oder einer Aluminiumlegierung besteht.
  5. Nahtloser oder geschweißter Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung dadurch gekennzeichnet, dass der nahtlose oder geschweißte Drucktank in der Lösung als Integraltank oder der Lösung ohne Verrippung mit faserverstärkten Kunststoffen armiert wird.
  6. Nahtloser oder geschweißter Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung dadurch gekennzeichnet, dass der nahtlose oder geschweißte Drucktank in der Lösung als Integraltank oder der Lösung ohne Verrippung mit einer während des Drückwalzens eingebrachten Sollbruchstelle beliebiger Geometrie versehen ist.
  7. Nahtloser oder geschweißter Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung nach Anspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucktank unter Verwendung der Umformverfahren Tiefziehen, Streckziehen, Drücken, Drückwalzen und Einziehen alternativ oder in Folge hergestellt wird.
  8. Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsrippen vorzugsweise innen in axialer und außen in radialer Richtung verlaufen. Die Verstärkungsrippen können auch spiralförmig oder in beliebiger Geometrie verlaufen.
  9. Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Öffnung des Drucktanks aufweisende Seite durch Einziehen hergestellt wird und unterschiedliche Geometrien aufweisen kann. Die Öffnung des Drucktanks auch bodenseitig als eingezogener Bereich ausgeführt ist und mit einem zusätzlichem Bauteil verschlossen wird.
  10. Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Drucktanks sowohl flach als auch beliebig gewölbt ausgeführt werden kann. Er kann massive oder hohle Anformungen z.B. zur Befestigung oder zur Anbringung von Öffnungen oder Ventilen enthalten.
  11. Drucktank und Verfahren zu seiner Herstellung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eingezogene Bereich des Drucktanks mit einem Gewinde oder einer anderen Anschlussgeometrie versehen ist, um einen Stutzen oder Boss mit dem Drucktank zu verbinden oder den Boden über ein zusätzliches Bauteil zu verschließen.
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