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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Behälters. Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Verwendung des nach dem Verfahren hergestellten
Behälters
als Druckbehälter.
Außerdem betrifft
die Erfindung einen Behälter
mit zwei Stirnseitenbereichen und mit einem zwischen den Stirnseitenbereichen
angeordneten Behältermantel.
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Behälter des
vorstehend genannten Typs sind bereits bekannt. Üblicherweise werden der Behältermantel
und die beiden Stirnseitenbereiche separat hergestellt. Um einen
Behältermantel
herzustellen, wird beispielsweise ein rechteckiger Zuschnitt eines
Metallbandes zu einem hohlzylindrischen Körper geformt und längsnahtgeschweißt. Um die
Stirnseitenbereiche herzustellen, werden beispielsweise kreisförmige Zuschnitte
vorzugsweise aus dem gleichen Metallband tiefgezogen. Der Behältermantel
wird anschließend
an beiden Stirnseiten mit den durch Tiefziehen entstandenen Hohlkörpern verschweißt. Der
so hergestellte Behälter
kann dann gegebenenfalls noch weiterverarbeitet werden. An dieser
Art der Behälterherstellung
ist nachteilig, dass die Form der herzustellenden Behälter nicht
beliebig gewählt
werden kann. Weiterhin ist die Anzahl der durchzuführenden
Verfahrensschritte im Wesentlichen durch die separat vorzuformenden
Behälterteile vorbestimmt.
Somit ist die Herstellung mit hohem finanziellen, personellen sowie
vorrichtungstechnischem Aufwand verbunden. Die separat vorgeformten
Behälterteile,
wie Stirnseitenbereiche und Behältermantel,
müssen
außerdem
noch durch ein Fügeverfahren
wie Verschweißen
verbunden werden. Dies setzt die Behälterteile insbesondere einer
thermischen Belastung aus, was sich negativ auf die Materialeigenschaften
bzw. durch Verzug auch auf deren Geometrie auswirken kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes
Verfahren zum Herstellen eines Behälters vorzuschlagen, welches zur
Herstellung des Behälters
weniger Fügeschritte benötigt und
gleichzeitig die Flexibilität
in der Formgebung der Behälter
erhöht.
Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde,
einen verbesserten Behälter
anzugeben.
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Gemäß einer
ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch ein
Verfahren zur Herstellung eines Behälters gelöst, bei welchem der Behälter durch
Innenhochdruckumformen eines Hohlkörpers geformt wird, wobei die
Stirnseitenbereiche des Behälters
während
des Innenhochdruckumformens mitgeformt werden.
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Zur
Durchführung
des Innenhochdruckumformens wird ein Hohlkörper als Rohling in die Matrize
eines Formwerkzeugs eingebracht. Die Matrize des Formwerkzeugs weist
eine Form auf, die der gewünschten
Form des herzustellenden Behälters
entspricht. Anschließend
wird in den Hohlkörper
ein Wirkmedium eingebracht. Unter Einwirkung von Druck wird der
Hohlkörper
in die Matrize des Formwerkzeugs eingeformt. Die Formgebung durch
Innenhochdruckumformen beschränkt
sich nicht nur auf den Behältermantel.
Es werden erfindungsgemäß auch die
Stirnseitenbereiche des herzustellenden Behälters hergestellt. Der Behältermantel
als auch die Stirnseitenbereiche werden also aus dem gleichen Hohlkörper geformt.
Eine separate Bereitstellung von Stirnseitenbereichen und Behältermantel
ist nicht mehr notwendig. Aufwändige
Vorformverfahrensschritte wie das Tiefziehen der Stirnseitenbereiche
sind demnach überflüssig. Auch
das Verschweißen
oder andersartige Fügen
der Stirnseitenbereiche mit dem Behältermantel kann somit entfallen.
Vielmehr werden die Stirnseitenbereiche durch das Innenhochdruckumformen
des Hohlkörpers
mitgeformt und sind demnach nahtlos mit dem Behältermantel verbunden. Ein das
Material beeinträchtigender
Wärmeeintrag
während
eines Verschweißvorgangs,
um die Stirnseitenbereiche mit dem Behältermantel zu verbinden, kann
vermieden werden. Der so hergestellte Behälter weist daher eine sehr
gute Stabilität
auf. Ferner kann die Form, die der Behälter nach dem Innenhochdruckumformen
annehmen soll, durch eine entsprechende Ausgestaltung des Formwerkzeugs
frei gewählt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird als Hohlkörper ein
rohrförmiger
Hohlkörper
verwendet. Rohrförmige
Hohlkörper
sind für
das Innenhochdruckumformen zu einem Behälter insbesondere geeignet,
weil sie ein ringförmiges
Querschnittsprofil aufweisen. Die Formgebung des herzustellenden
Behälters
ist demnach durch einen rohrförmigen
Hohlkörper
am wenigsten eingeschränkt. Aber
natürlich
sind auch anders geformte Hohlkörper für das Verfahren
geeignet.
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Vorzugsweise
wird als Hohlkörper
ein nahtloser Hohlkörper,
beispielsweise ein Strangpressprofil oder ein längsnahtgeschweißtes Rohr
verwendet. Als nahtlose Hohlkörper
können
beispielsweise Hohlkörper
aus Metall verwendet werden, die extrudiert oder aus einer Metallschmelze
gegossen worden sind. Es ist jedoch auch möglich, einen Hohlkörper, beispielsweise
ein Rohr, zu verwenden, der bzw. das eine Schweißnaht, insbesondere eine Längsschweißnaht, aufweist.
Der Verschweißvorgang
kann vorzugsweise ohne Zusatzwerkstoffe ausgeführt werden. Dadurch besteht
der Behälter
lediglich aus einer Metalllegierung mit einheitlicher Zusammensetzung,
was sich vorteilhaft auf die Beständigkeit und Festigkeit der
Schweißnaht
bzw. des Behälters
auswirkt.
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Vorzugsweise
ist der Hohlkörper
aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet. Aluminium
oder Aluminiumlegierungen sind einerseits für das Innenhochdruckumformen
auf Grund ihrer vorteilhaften Umformungseigenschaften besonders
geeignet. Andererseits weisen sie gegenüber Stahlbehältern erhebliche
Gewichtsvorteile auf. Darüber
hinaus sind die aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung
mittels Innenhochdruckumformen hergestellten Behälter für eine Vielzahl von Anwendungen
einsetzbar. Allerdings ist auch denkbar, den Behälter aus Stahl oder Edelstahl
zu fertigen.
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In
einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der
Hohlkörper
kalt Innenhochdruck umgeformt. Dies bedeutet, dass kein gezielter
Wärmeeintrag
auf den Hohlkörper
vor dem Innenhochdruckumformen oder während des Innenhochdruckumformens
vorgenommen wird. Somit wird die benötigte Energie für das Innenhochdruckumformen
gering gehalten.
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Es
ist jedoch auch möglich,
den Hohlkörper warm
Innenhochdruck umzuformen. In diesem Fall wird der Hohlkörper vor
dem Innenhochdruckumformen oder während des Innenhochdruckumformens gezielt
erwärmt.
Die Wärme
kann über
das Wirkmedium, das Formwerkzeug und/oder über separate Wärmeübertragungsmittel
auf den Hohlkörper übertragen
werden. Die Wärmeeinwirkung
auf den Hohlkörper
verbessert dessen Umformeigenschaften für den Innenhochdruckumformungsprozess.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Hohlkörper vor
dem Innenhochdruckumformen an mindestens einem Ende reduziert. Damit
kann insbesondere die Innenhochdruckumformung der Stirnseitenbereiche
unterstützt
und/oder gegebenenfalls ergänzt
werden. So ist es beispielsweise möglich, durch die Reduzierung Stellen
an den Stirnseitenbereichen vorzusehen, an denen eine später vorzunehmende
Weiterverarbeitung des mittels Innenhochdruckumformen hergestellten
Behälters
ansetzen kann.
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Es
kann beispielsweise nach dem Innenhochdruckumformen an mindestens
einem Stirnseitenbereich des Behälters
ein Gewinde eingearbeitet werden. Die Art des Gewindes ist grundsätzlich nicht auf
bestimmte Ausgestaltungen beschränkt.
Gewinde sind insbesondere dazu geeignet, Anschlussstellen zu schaffen
bzw. zur Verfügung
zu stellen, so dass der Behälter
mit anderen Komponenten verbunden werden kann.
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Vorzugsweise
wird der Behälter
an mindestens einem Stirnseitenbereich mit einem Verschluss, mit
einem Verbindungsstück
und/oder mit Leitungen versehen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn durch das Verfahren ein Druckbehälter oder
ein Tank hergestellt wird. In einem Druckbehälter werden gasförmige und/oder
flüssige
Medien unter Druck bevorratet. Die Druckdifferenz zur Umgebung kann
positiv oder negativ sein. Positive Druckdifferenz bedeutet, dass
der Druck im Innenraum des Behälters
größer als
in der Umgebung des Behälters
ist. Negative Druckdifferenz bedeutet entsprechend, dass der Druck
im Innenraum des Behälters
kleiner als in der Umgebung des Behälters ist. Die durch Innenhochdruckumformen
hergestellten Behälter
haben keine Schweißnähte zwischen
den Stirnseitenbereichen und dem Behältermantel. Dies verringert
die Stellen, an denen bei Druckbehältern unter einer Druckbelastung
Mängel,
beispielsweise ungenügende
Dichtigkeit oder Bruch durch Versprödung des verschweißten Materials,
auftreten können.
Somit sind durch Innenhochdruckumformen hergestellte Behälter insbesondere für die Verwendung
als Druckbehälter
geeignet.
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Druckbehälter finden
beispielsweise als sogenannte Druckgasbehälter für die Aufbewahrung von flüssigem Sauerstoff,
flüssigem
Stickstoff, flüssigem
Helium oder ähnlichem
Verwendung, sind aber nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt. Tanks,
insbesondere Tanks für
Kraftfahrzeuge können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
nicht nur kostengünstiger
produziert werden, sondern weisen weniger potentiellen Schwachstellen
aufgrund der geringen Anzahl an Schweißnähten im Falle eines Unfalls
auf.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird gemäß einer
weiteren Lehre der vorliegenden Erfindung durch einen Behälter mit
zwei Stirnseitenbereichen und mit einem zwischen den Stirnseitenbereichen angeordneten
Behältermantel
dadurch gelöst,
dass der Behälter
durch Innenhochdruckumformen eines Hohlkörpers geformt worden ist, so
dass die Stirnseitenbereiche des Behälters nahtlos mit dem Behältermantel
verbunden sind. Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Behälters wird
auf die Ausführungen
zum erfindungsgemäßen Verfahren
verwiesen.
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Vorzugsweise
weist der Behälter
eine Längsschweißnaht, insbesondere
eine Hochfrequenz geschweißte
Längsnaht
auf oder ist vollständig
nahtlos ausgebildet. Das Ausgangsmaterial der längsnahtgeschweißten Behälter sind
zumeist längsnahtgeschweißte Rohre,
die ein verbessertes Umformverhalten aufweisen. Bei vollständig nahtlos
ausgebildeten Behältern,
beispielsweise hergestellt aus einem stranggepressten Rohr, wird
kein Fügeverfahren
wie beispielsweise ein Verschweißen angewendet, so dass einerseits
Arbeitsschritte eingespart und Schwachstellen am Behälterkörper vermieden
werden können.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass der Behältermantel
einen ringförmigen,
rechteckigen, quadratischen oder polygonen Querschnitt aufweist.
Hierdurch kann die Behälterform
an die Anwendung angepasst werden. Das Querschnittsprofil ist jedoch nicht
auf die vorstehend genannten Formen beschränkt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des Behälters ist der Behälter aus
Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet, so dass
dieser ein optimiertes Gewicht bei hoher Festigkeit aufweist.
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Weiterhin
ist vorzugsweise an mindesten einem Stirnseitenbereich des Behälters ein
Gewinde eingearbeitet, um auf einfache Weise eine Anschlussstelle
zu schaffen oder das Verschließen
des Behälters
zu vereinfachen.
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Ist
der Behälter
an mindestens einem Stirnseitenbereich mit einem Verschluss, mit
einem Verbindungsstück
und/oder mit Leitungen versehen, kann das Anschließen und
die Verwendung des Behälters
vereinfacht werden.
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Die
Wandstärke
des Behälters
beträgt
vorzugsweise 0,5 mm bis 15 mm. Diese Wandstärke gewährleistet die notwendige Festigkeit
insbesondere beim Einsatz als Druckbehälter oder Tank bei geringem
Gewicht. Gleichzeitig sind die Umformeigenschaften beispielsweise
einer Aluminiumlegierung bei diesen Wandstärken noch ausreichend zur Durchführung des
Innenhochdruckumformverfahrens.
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Ist
der Behälter
ein Druckbehälter
oder ein Tank, können
diese mit verringertem Gewicht bei einfacher Herstellung mit wenigen
Verfahrensschritten zur Verfügung
gestellt werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei
auf die beigefügte
Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt
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1a zwei
Stirnseitenbereiche und einen Behältermantel als separate Behälterteile,
wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, in einem Seitenquerschnitt,
bevor sie zu einem Behälter
verschweißt
werden,
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1b die
Behälterteile
aus 1a in einem Seitenquerschnitt, nachdem sie zu
einem Behälter verschweißt wurden,
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2 und 3 ein
Ausführungsbeispiel des
Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer schematischen Darstellung und
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4 eine
beispielhafte Ausgestaltung eines Behälters, wie er durch das erfindungsgemäße Verfahren
herstellbar ist.
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1a zeigt
einen Behältermantel 2 und zwei
Stirnseitenbereiche 4a, 4b in einem Seitenquerschnitt,
die zu einem Behälter 6 zusammengefügt werden
sollen, wie es im Stand der Technik üblich ist. Der Behältermantel 2 wurde
aus einem rechteckigen Zuschnitt eines Aluminiumbandes in eine hohlzylinderförmige Gestalt
vorgeformt und anschließend längsnahtgeschweißt. Die
Stirnseitenbereiche 4a, 4b wurden durch Tiefziehen
jeweils aus einem kreisförmigen
Zuschnitt des gleichen Aluminiumbandes vorgeformt und haben nach
dieser Umformung eine schalenförmige
Gestalt. Die Querschnittsprofile sowohl des vorgeformten Behältermantel 2 als
auch der vorgeformten Stirnseitenbereiche 4a, 4b wurden
so angepasst, dass je ein vorgeformter Stirnseitenbereich 4a, 4b von
je einer Seite an die Stirnseiten des vorgeformten Behältermantel 2 herangeführt werden kann
(Pfeile), um dort bündig
verschweißt
zu werden.
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Der
fertige Behälter 6 nach
dem Verschweißen
ist in 1b zu sehen. Neben der (nicht
dargestellten) Längsschweißnaht am
Behältermantel 2 sind
zwei ringförmige
Schweißnähte 8a, 8b sichtbar, die
den Behälter
im Wesentlichen umlaufen. Neben der hohen Anzahl an Schweißnähten wurde
durch das Verschweißen
auch noch ein Wärmeeintrag
in das Aluminium bewirkt, welcher prinzipiell die Festigkeit der
Aluminiumlegierung an dieser reduziert.
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2 zeigt
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in einem schematischen Seitenquerschnitt, wie ein längsnahtgeschweißtes Aluminiumrohr 10 in
ein Formwerkzeug 12 eingebracht worden ist. Es ist natürlich auch möglich, ein
vollständig
nahtloses Aluminiumrohr 10 zu verwenden, beispielsweise
wenn das Rohr extrudiert oder aus einer Aluminiumschmelze gegossen wurde.
Die Matrize des Formwerkzeugs 14 weist eine zylindrische
Form auf und definiert damit die Form des herzustellenden Behälters 6.
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3 zeigt
in der Fortführung
des Beispieles aus 2, wie das Aluminiumrohr 10 mit
einem Wirkmedium 16, beispielsweise einer Wasser-Öl-Emulsion,
gefüllt
worden ist. Die, beispielsweise durch einen nicht dargestellten
Stempel bewirkte Druckausübung von
den beiden Stirnseiten aus (Pfeile) führt dazu, dass das Aluminiumrohr 10 in
dem Formwerkzeug 12 Innenhochdruck umgeformt und in die
Matrize des Formwerkzeugs 14 eingeformt wird. Vor dem Innenhochdruckumformen
oder auch während
des Innenhochdruckumformens kann das Aluminiumrohr 10 erwärmt werden,
um dessen Umformeigenschaften zu verbessern Nach der erfolgten Innenhochdruckumformung
können
die überstehenden
Aluminiumrohrabschnitte an den Stirnseitenbereichen 4a, 4b des geformten
Behälters 6 beschnitten
oder vollständig entfernt
werden, beispielsweise durch Sägen.
Die Stirnseitenbereiche 4a, 4b des Behälters 6 können nun
noch mit einem Gewinde 18 versehen werden, das insbesondere
als Anschluss für Verschlüsse, Leitungen
oder ähnliches
dienen kann, wie es in 4 gezeigt ist.
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In
der in 4 gezeigten beispielhaften Ausgestaltung des Behälters 6 hat
der Behältermantel 2 einen
kreisringförmigen
Querschnitt. Es ist aber auch möglich,
den Behältermantel 2 mit
einem rechteckigen, insbesondere quadratischen, polygonen oder einem
sonstigen andersartigen Querschnitt zu versehen. Polygone Querschnitte,
zu denen als Spezialfälle
auch die rechteckigen und quadratischen Querschnitte zu zählen sind,
bieten beispielsweise den Vorteil, eine höhere Packungsdichte von einander anliegenden,
gleichartigen Behältern 6 zu
ermöglichen.
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Der
nach dem vorstehend beschriebenen Beispiel hergestellte Behälter kann
insbesondere als Druckbehälter
eingesetzt werden. Da kein Fügeverfahren
mehr angewendet werden musste, um die Stirnseitenbereiche des Behälters mit
dem Behältermantel
zu verbinden, ist die Anzahl an Fügezonen am fertigen Behälter gegenüber aus
dem Stand der Technik bekannten Behältern minimiert. Durch das fehlende
Fügen konnte
außerdem
der Wärmeeintrag in
das Behältermaterial
im Bereich des Behältermantels
vermieden werden, was zu einer verbesserten Festigkeit des Behälters führt.