DE102007053098A1

DE102007053098A1 - Vorrichtung zum Herstellen eines Gefäßes mit Einsatz durch Extrusionsblasformen und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102007053098A1
Application number: DE102007053098A
Authority: DE
Inventors: Dirk Lungershausen
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2027-11-08
Also published as: US20080113132A1; DE102007053098B4; US8052915B2

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Gefäßes offenbart, wobei mehrere Ansätze in einer Musterform bzw. Mustermatrize angeordnet werden, die einen Formhohlraum mit einer gewünschten Gestalt besitzt, ein Werkstoff durch die Form bzw. Matrize extrudiert bzw. gespritzt wird, der Werkstoff durch Blasen so geformt wird, dass er die Gestalt des Hohlraums annimmt, und die Ansätze an dem Werkstoff zum Haften gebracht werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Hohlgefäß und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines blasgeformten Gefäßes mit mehreren Ansätzen, das für die Aufnahme eines Fluids geeignet ist, wobei die mehreren Ansätze in einer Musterform oder Mustermatrize angeordnet werden, die einen Formhohlraum mit einer gewünschten Gestalt besitzt, ein Werkstoff durch die Ansätze in den Hohlraum gespritzt wird, der Werkstoff durch Blasen so geformt wird, dass er die Gestalt des Hohlraums annimmt, um das Gefäß zu bilden, und die Ansätze an dem Gefäß fixiert werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Als Energiequelle für Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen sind Brennstoffzellen vorgeschlagen worden. Bei Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen wird einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt, während der Katode Sauerstoff zugeführt wird. Mehrere Brennstoffzellen sind in Brennstoffzellenstapeln zusammengestapelt, so dass sie ein Brennstoffzellensystem bilden. Im Allgemeinen sind zum Speisen von Brennstoffzellen-betriebenen Fahrzeugen zahlreiche Brennstoffzellen erforderlich. Zum Speisen der Brennstoffzellenstapel werden jedem der Brennstoffzellenstapel große Mengen an Wasserstoff zugeführt, die in einem Tank auf dem Fahrzeug gelagert sind. Der Brennstoff und das Oxidans sind im Allgemeinen in großen, mit Druck beaufschlagten Brennstofftanks gelagert, die auf einer Bodengruppe des Fahrzeugs angeordnet sind.
Im Allgemeinen besitzen Brennstofftanks eine zylindrische Form und sind hinter den Rücksitzen zwischen den Hinterrädern quer liegend auf der Bodengruppe des Fahrzeugs angeordnet. Gegenwärtige Brennstofftanks werden durch ein Rotationsschmelzverfahren hergestellt. Ein Tank wird unter Anwendung des Rotationsschmelzverfahrens gebildet, indem: Ansätze in einem Formhohlraum mit einem Polymerharz angeordnet werden, die Form unter Drehen erhitzt wird, was bewirkt, dass das Harz schmilzt und die Wände des Hohlraums überzieht, die Matrize bzw. die Form abgekühlt wird und der geformte Tank herausgenommen wird. Das Rotationsschmelzverfahren kann angewandt werden, um nahezu jedes hohle Einschichtenteil, das einen eingesetzten, integrierten Ansatz aufweist, zu erzeugen. Jedoch besitzt das Rotationsschmelzverfahren eine lange Zykluszeit, die im Allgemeinen nur ein oder zwei Zyklen pro Stunde zulässt. Daher wird das Rotationsschmelzverfahren besser zur Erzeugung einer nur kleinen Anzahl von Tanks verwendet. Da das Rotationsschmelzverfahren nur mit einem einzigen Polymerlevel verwendet werden kann, ermöglicht es ferner keine Bildung von mehrschichtigen Tanks. Ein mehrschichtiger Polymertank ist erwünscht, da die Wasserstoffdurchlässigkeit eines einschichtigen Tanks tausendmal höher als bei mehrschichtigen im Blasverfahren hergestellten Tanks sein kann.
Es sollten ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Gefäßes durch Blasformen, das mehrere Ansätze besitzt und für das Lagern eines Fluid geeignet ist, entwickelt werden, wobei mehrere Ansätze in einer Form bzw. Matrize angeordnet werden und ein Werkstoff in die Form gespritzt und durch Blasen geformt wird und der Werkstoff an den Ansätzen haften bleibt und die gewünschte Gestalt der Form annimmt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung und Entsprechung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschenderweise ein im Blasverfahren hergestelltes Gefäß, das mehrere Ansätze besitzt und für das Lagern eines Fluids geeignet ist, herausgefunden worden, wobei mehrere Ansätze in einer Form angeordnet werden und ein Werkstoff in die Form gespritzt und durch Blasen geformt wird und der Werkstoff an den Ansätzen haften bleibt und die gewünschte Gestalt der Form annimmt.
In einer Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zum Blasformen eines Behälters eine Musterform bzw. Mustermatrize, in der ein erster fertig formender Formhohlraum und ein Formhohlraum gebildet sind, einen Dorn bzw. Formkern, der in der Musterform angeordnet ist, wobei der Dorn geeignet ist, einen aus einem formbaren Werkstoff gebildeten Vorformling zu bilden, und geeignet ist, den Vorformling während eines Blasformprozesses in der Musterform zu positionieren, und einen Ansatz, der in dem ersten fertig formenden Formhohlraum der Musterform angeordnet ist, wobei während des Blasformprozesses der Vorformling durch ein erstes Fluid expandiert bzw. aufgeweitet wird, so dass er die Gestalt des Formhohlraums annimmt und an dem Ansatz haftet, um einen Behälter zu bilden, wobei zwischen dem Ansatz und dem aufgeweiteten Vorformling ein im Wesentlichen fluiddichter Abschluss gebildet wird.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein im Blasverfahren hergestelltes Gefäß einen Behälter, der aus einem formbaren Werkstoff gebildet ist, wobei der Behälter einen Hohlraum bildet, der geeignet ist, ein Fluid zu speichern, eine äußere Schicht, die um den Behälter angeordnet ist, wenigstens einen Ansatz, der an dem formbaren Werkstoff der inneren Schicht zum Haften gebracht wird, um einen im Wesentlichen fluiddichten Abschluss zu bilden, und der geeignet ist, eine Fluidverbindung mit dem Hohlraum herzustellen, und einen fertig formenden Formhohlraum, der in der inneren Schicht gebildet ist und geeignet ist, den Ansatz aufzunehmen.
Die Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Bilden eines Fluidgefäßes, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Musterform bzw. Mustermatrize, in der ein erster fertig formender Hohlraum und ein Formhohlraum gebildet sind, Bereitstellen eines Dorns bzw. Formkerns, der in der Musterform angeordnet und geeignet ist, einen aus einem formbaren Werkstoff gebildeten Vorformling aufzunehmen, Bereitstellen eines Ansatzes, wobei der Ansatz in dem ersten fertig formenden Hohlraum angeordnet wird, Positionieren des Dorns und des Vorformlings in dem Hohlraum, Veranlassen, dass ein Fluid durch den Vorformling und die Musterform strömt, um den Vorformling aufzuweiten, so dass er einen Behälter mit der Gestalt des Formhohlraums der Musterform bildet, Herausnehmen des Behälters aus der Musterform und Aufbringen einer äußeren Schicht auf eine Außenfläche des Behälters.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten anhand der folgenden genauen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sogleich deutlich, wenn diese im Lichte der begleitenden Zeichnungen betrachtet wird; in den Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Extruder- und Blasformvorrichtung, die in einem Schnitt einen Abschnitt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Blasformvorrichtung und eines durch die Vorrichtung gebildeten geblasenen Behälters;
3 eine Querschnittsansicht des geblasenen Behälters in einer Musterform der in 2 gezeigten Vorrichtung;
4 eine fragmentarische Schnittansicht des in 2 gezeigten geblasenen Einschichtenbehälters, der eine darauf gebildete äußere Schicht aufweist;
5 eine fragmentarische Schnittansicht eines mehrschichtigen geblasenen Behälters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
6 eine perspektivische Ansicht einer Extruder- und Blasformvorrichtung, die in einem Schnitt einen Abschnitt gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
7 eine fragmentarische Schnittansicht eines Schafts einer in 6 gezeigten Abstützung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende genaue Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und zeigen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Ausführen und Verwenden der Erfindung zu ermöglichen, und sind nicht dazu gedacht, den Umfang in irgendeiner Weise zu begren zen. Die offenbarten Verfahren betreffend sind die angegebenen Schritte dem Wesen nach beispielhaft, weshalb die Reihenfolge der Schritte nicht zwangsweise oder kritisch ist.
1 zeigt eine Blasformvorrichtung 10, die eine Musterform bzw. Mustermatrize 12 und einen Dorn bzw. Formkern 14 besitzt, in Verbindung mit einem Extruder 16. Die Blasformvorrichtung 10 besitzt eine im Wesentlichen rechtwinklige Form, jedoch kann sie nach Bedarf eine beliebige Form besitzen. Die Blasformvorrichtung 10 kann aus irgendeinem herkömmlichen Werkstoff oder aus einer Kombination von Werkstoffen wie beispielsweise Stahl, einer Stahllegierung, Aluminium, einem Kunststoff, einem Beton, einem Holz oder Titan gebildet sein.
Die Musterform 12 umfasst eine erste Form- bzw. Matrizenhälfte 18, eine zweite Form- bzw. Matrizenhälfte 20, eine erste Arbeitsöffnung 19 und eine zweite Arbeitsöffnung 21. Die erste Formhälfte 18 und die zweite Formhälfte 20 bilden gemeinsam einen Formhohlraum 22. In der in 1 gezeigten Ausführungsform besitzt der Formhohlraum 22 eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt mit der Querschnittsform eines Kreises. Nach Bedarf kann der Formhohlraum 22 irgendeine Form wie etwa eine rechwinklige oder ovale Form besitzen. Ein erstes Ende 24 der ersten Formhälfte 18 und ein erstes Ende 26 der zweiten Formhälfte 20 bilden gemeinsam einen ersten fertig formenden Formhohlraum 28. Der erste fertig formende Formhohlraum 28 steht mit dem Hohlraum 22 in Verbindung und ist geeignet, einen ersten Ansatz 36 aufzunehmen. Ein zweites Ende 30 der ersten Formhälfte 18 und ein zweites Ende 32 der zweiten Formhälfte 20 bilden gemeinsam einen zweiten fertig formenden Formhohlraum 34. Der zweite fertig formende Formhohlraum 34 steht mit dem Hohlraum 22 in Verbindung und ist geeignet, einen zweiten Ansatz 37 aufzunehmen. Nach Bedarf können die erste Formhälfte 18 und die zweite Formhälfte 20 der Blasformvorrichtung 10 einen einzigen fertig formenden Hohlraum oder mehrere fertig formende Hohlräume bilden. Die Ansätze 36, 37 sind separat erzeugte Fertigteile, die die Öffnung eines Behälters bilden und für die Aufnahme eines spezifischen Verschlusses gestaltet sind. Wie in den 3, 4 und 5 gezeigt ist, weisen die Ansätze 36, 37 eine Nut 52 auf, die für die Aufnahme eines Abschnitts eines Schlauchs, einer Düse, einer Leitung oder anderer Mittel für die Fluidverbindung mit den Ansätzen 36, 37 und dem Formhohlraum 22 geeignet ist. Der Ansatz 36 kann beispielsweise irgendein Fertigteil sein, das aus einem herkömmlichen Werkstoff wie beispielsweise Kunststoff, Stahl, einer Stahllegierung oder Aluminium gebildet ist. Die erste Arbeitsöffnung 19 ist durch die erste Formhälfte 18 und die zweite Formhälfte 20 an deren jeweiligen ersten Enden 24, 26 gebildet. Die zweite Arbeitsöffnung 21 ist durch die erste Formhälfte 18 und die zweite Formhälfte 20 an deren jeweiligen zweiten Enden 30, 32 gebildet. Die erste Arbeitsöffnung 19 stellt eine Verbindung zwischen dem Extruder 16 und dem Formhohlraum 22 der Blasformvorrichtung 10 und zwischen dem Dorn 14 und dem Formhohlraum 22 der Blasformvorrichtung 10 her. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Dorn 14 eine im Wesentlichen gerade Welle. Nach Bedarf kann der Dorn 14 eine beliebige Gestalt und eine beliebige Konfiguration besitzen, die für das Einführen bzw. Einsetzen in die Musterform 12 der Blasformvorrichtung 10 geeignet sind.
Der in 1 gezeigte Extruder 16 ist ein Einschneckenextruder in Verbindung mit der Musterform 12. Der Extruder 16 umfasst einen Trichter 40, eine Schnecke 42, einen Kolben 44, eine Trommel 46 und eine Arbeitsöffnung 48. Die Arbeitsöffnung 48 des Extruders 16 ist für die Aufnahme eines Endes des Dorns 14 geeignet. Nach Bedarf kann der Extruder 16 ein herkömmlicher Extruder wie beispielsweise ein Mehrschneckenextruder oder ein Ramextruder sein. Wohlgemerkt können mehrere Extruder mit der Blasformvorrichtung 10 in Verbindung stehen, um mehrere gewünschte Werkstoffe gemeinsam zu extrudieren.
Bei Gebrauch werden der erste Ansatz 36 und der zweite Ansatz 37 in einem Ofen (nicht gezeigt) oder einer anderen herkömmlichen Heizvorrichtung erhitzt. Als Nächstes wird der erste Ansatz 36 in einem Abschnitt der ersten Formhälfte 18 oder einem Abschnitt der zweiten Formhälfte 20, die den ersten fertig formenden Formhohlraum 28 bildet, angeordnet. Der zweite Ansatz 37 wird in einem Abschnitt der ersten Formhälfte 18 oder einem Abschnitt der zweiten Formhälfte 20, die den zweiten fertig formenden Formhohlraum 34 bildet, angeordnet. Die erste Formhälfte 18 und die zweite Formhälfte 20 werden dann zusammengefügt, so dass sie die Musterform 12 der Blasformvorrichtung 10 schließen, wobei die Ansätze 36, 37 in den jeweiligen fertig formenden Formhohlräumen 28, 34 angeordnet sind. Wenn die Ansätze 36, 37 erhitzt sind, können wohlgemerkt Roboterarme (nicht gezeigt) oder andere automatisierte Vorrichtungen, die eine starke Hitze aushalten können, dazu verwendet werden, die Ansätze 36, 37 in den fertig formenden Formhohlräumen 28, 34 zu positionieren.
Als Nächstes werden Kügelchen, Flocken oder dergleichen 50 aus einem formbaren Werkstoff in den Trichter 40 des Extruders 16 geladen. Der formbare Werkstoff kann ein herkömmlicher formbarer Werkstoff wie beispielsweise ein Polymer, ein Metall, ein Glas, Polyethylen, Ethylen-Vinylalkohol oder ein Ethylen-Vinylazetat-Terpolymer sein. Die Trommel 46 des Extruders 16 wird dann zum Erhitzen bzw. Aufheizen gebracht, während die Schnecke 42 und der Kolben 44 durch einen Controller bzw. einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) in Eingriff gebracht werden. Wenn sich die Schnecke 42 dreht, werden die Kügelchen 50 in dem Trichter 40 in den Extruder 46 gefüllt und längs der Schnecke 42 transportiert, wobei sie durch die Trommel 46 auf eine Temperatur bei einer Schmelztempe ratur erhitzt werden. Die geschmolzenen Kügelchen 50 werden dann durch die Arbeitsöffnung 48 und an dem Ende des Dorns 14 vorbei extrudiert. Der Dorn 14 bewirkt, dass der Werkstoff, den die geschmolzenen Kügelchen 50 bilden, einen leeren Raum zwischen dem Dorn 14 und der Arbeitsöffnung 48 füllt, um einen Vorformling 38 zu bilden. Wenn die geschmolzenen Kügelchen 50 ununterbrochen von dem Extruder 16 extrudiert werden, führt der Dorn 14 den Vorformling 38 durch den ersten Ansatz 36 und die erste Arbeitsöffnung 19 der Blasformvorrichtung 10 in die Musterform 12 und durch den zweiten Ansatz 37 und die zweite Arbeitsöffnung 21 der Blasformvorrichtung 10. Da der Vorformling 38 ununterbrochen an dem Dorn 14 vorbei extrudiert wird, bleibt der Vorformling 38 hohl. Nach Bedarf können mehrere Extruder, die dem in 1 gezeigten Extruder gleichen, mit der Blasformvorrichtung 10 in Verbindung stehen, um gemeinsam mehrere formbare Werkstoffe zu extrudieren und einen mehrschichtigen Vorformling zu bilden. Nach Bedarf können jene mehreren formbaren Werkstoffe irgendeine Kombination von Schichten aus Polyethylen, Ethylen-Vinylalkohol, einem Ethylen-Vinylazetat-Terpolymer oder einem anderen herkömmlichen Polymer umfassen.
Wenn der Vorformling 38 durch die Ansätze 36, 37 und den Formhohlraum 22 der Blasformvorrichtung 10 hindurch angeordnet ist, wird ein erstes Fluid (nicht gezeigt) dazu gebracht, durch den Dorn 14 in den Vorformling 38 in dem Formhohlraum 22 zu strömen. Das erste Fluid bewirkt, dass sich der Vorformling 38 aufweitet und die Wände des Formhohlraums 22 kontaktiert, wodurch er die Gestalt des Formhohlraums 22 annimmt. Die Aufweitung des Vorformlings 38 ist als Blasformvorgang bekannt. Nach Bedarf kann das erste Fluid ein herkömmliches Fluid wie etwa Luft, Stickstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff sein. Wenn der Vorformling 38 durch das erste Fluid aufgeweitet wird, wird ein Abschnitt des Vorformlings 38 dazu gebracht, mit den erhitzten Ansätzen 36, 37 in Kon takt zu gelangen, an diesen zu haften und mit diesen einen luftdichten Abschluss zu bilden. Wohlgemerkt werden die Ansätze 36, 37 erhitzt, um das Erweichen oder Schmelzen jenes Abschnitts des Vorformlings 38, der mit ihnen in Kontakt gebracht wird, um den luftdichten Abschluss zu bilden, zu erleichtern. Nach Bedarf können die Ansätze 36, 37 auch nicht erhitzt werden. Wie in 3 gezeigt ist, wird ein Teil 54 des Werkstoffs, der den Vorformling 38 bildet, durch Blasen zu einer radialen, inneren Oberfläche 56 der Ansätze 36, 37 geformt. Werkstoff kann in die Nuten 52 und auf die innere Oberfläche 56 geblasen werden und nach Bedarf von den Ansätzen 36, 37 abgeschnitten oder anderweitig bearbeitet werden. Nach Bedarf können die Oberflächen der Ansätze 36, 37, die während des Blasformprozesses mit dem formbaren Werkstoff in Kontakt kommen, vor dem Blasformprozess geätzt, mit einer Grundierung überzogen oder mit einem Klebstoff überzogen werden, um die Haftung der Ansätze 36, 37 an dem formbaren Werkstoff zu fördern. Wohlgemerkt können die Ansätze 36, 37 Nuten, Hohlräume, Kanäle oder Protuberanzen aufweisen, die einen Teil des Werkstoffs aufnehmen können, um diesen an die Ansätze 36, 37 mechanisch anzufügen. Wie in 2 gezeigt ist, werden, sobald sich der geblasene Werkstoff hinreichend abgekühlt hat, die erste Formhälfte 18 und die zweite Formhälfte 20 der Blasformvorrichtung 10 getrennt und ein Behälter 58 mit angefügten Ansätzen 36, 37, der geeignet ist, ein zweites Fluid (nicht gezeigt) zu speichern, herausgenommen. Nach Bedarf kann der Behälter 58 für das Speichern irgendeines Fluid wie etwa einer Flüssigkeit oder eines Gas beschaffen sein.
Sobald der Behälter 58 aus der Blasformvorrichtung 10 herausgenommen ist, kann er einem Filamentbewicklungsprozess unterzogen werden, um ein Gefäß 60 mit einer äußeren Schicht 64 über dem Behälter 58 und einem Abschnitt der Ansätze 36, 37 zu bilden, wie in 4 gezeigt ist. 5 zeigt ein Gefäß 62 mit einem mehrschichtigen, extrudierten Behälter 66 mit einer äußeren Filamentschicht 68. Wohlgemerkt kann der zum Bilden der äußeren Schicht 64 verwendete Werkstoff von dem zum Anbringen der äußeren Schicht angewandten Prozess, der Verwendung des Gefäßes 60 und den Eigenschaften des in dem Gefäß zu lagernden Fluids abhängen. Die äußere Schicht 68 kann auf den Behälter 58 aufgebracht werden, indem dieser in ein geschmolzenes Polymer oder Metall eingetaucht wird. Auf den Behälter 58 kann ein Überzug aufgesprüht werden. Außerdem kann um den Behälter 58 ein Leder oder Gewebe aufgenäht oder aufgesteppt werden. Für das Filamentbewickeln wird der Behälter 58 über einem Dorn (nicht gezeigt) angeordnet oder in einer automatischen Filamentwickelvorrichtung (nicht gezeigt) angeordnet und beim Aufbringen der äußeren Schicht 64 gedreht. Die äußere Schicht 64 wird in der Weise aufgebracht, dass die aufgebrachten Filamente (nicht gezeigt) anders als die vorhergehende Filamentschicht aufgelegt oder orientiert sind. Nach Bedarf kann das die äußere Schicht 64 bildende Filament eine Kohlenstoff-Faser, eine Glasfaser, eine Verbundfaser oder eine Glasfaser mit einer Harzbeschichtung sein. Das mit Filament umwickelte Gefäß 60 wird dann in einen Autoklaven (nicht gezeigt) gesetzt, damit sich die äußere Schicht 64 und das Harz verfestigen können. Der Filamentbewicklungsprozess bildet ein Gefäß 60 mit einer höheren Steifigkeit und Festigkeit, wodurch ein stärkeres, dauerhafteres Gefäß 60 mit einer längeren Nutzungsdauer gebildet ist. Wohlgemerkt kann das Gefäß 60 ein Brennstoffspeicher sein, der zum Befüllen mit Wasserstoff, zur Entnahme von Wasserstoff und der Lagerung von Wasserstoff oder einem anderen Brennstoff geeignet ist. Außerdem kann das Gefäß 60 so beschaffen sein, dass es Temperaturen und Drücken des Brennstoffs in einem weiten Bereich widersteht.
6 zeigt eine Blasformvorrichtung 10', die eine Musterform bzw. Mustermatrize 12', einen Dorn bzw. Formkern 14' und eine Unterstützung 41' besitzt, in Verbindung mit einem Extruder 16' gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Blasformvorrichtung 10' besitzt eine im Wesentlichen rechtwinklige Form, jedoch kann sie nach Bedarf eine beliebige Form besitzen. Die Blasformvorrichtung 10' kann aus irgendeinem herkömmlichen Werkstoff oder aus einer Kombination von Werkstoffen wie beispielsweise Stahl, einer Stahllegierung, Aluminium, einem Kunststoff, einem Beton, einem Holz oder Titan gebildet sein.
Die Musterform 12' umfasst eine erste Form- bzw. Matrizenhälfte 18', eine zweite Form- bzw. Matrizenhälfte 20', eine erste Arbeitsöffnung 19' und eine zweite Arbeitsöffnung 21'. Die erste Formhälfte 18' und die zweite Formhälfte 20' bilden gemeinsam einen Formhohlraum 22'. In der in 6 gezeigten Ausführungsform besitzt der Formhohlraum 22' eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt mit der Querschnittsform eines Kreises. Nach Bedarf kann der Formhohlraum 22' irgendeine Form wie etwa eine rechwinklige oder ovale Form besitzen. Ein erstes Ende 24' der ersten Formhälfte 18' und ein erstes Ende 26' der zweiten Formhälfte 20' bilden gemeinsam einen ersten fertig formenden Formhohlraum 28'. Der erste fertig formende Formhohlraum 28' steht mit dem Hohlraum 22' in Verbindung und ist geeignet, einen ersten Ansatz 36' aufzunehmen. Ein zweites Ende 30' der ersten Formhälfte 18' und ein zweites Ende 32' der zweiten Formhälfte 20' bilden gemeinsam einen zweiten fertig formenden Formhohlraum 34'. Der zweite fertig formende Formhohlraum 34' steht mit dem Hohlraum 22' in Verbindung und ist geeignet, einen zweiten Ansatz 37' aufzunehmen. Nach Bedarf können die erste Formhälfte 18' und die zweite Formhälfte 20' der Blasformvorrichtung 10' einen einzigen fertig formenden Hohlraum oder mehrere fertig formende Hohlräume bilden. Die Ansätze 36', 37' sind separat erzeugte Fertigteile, die die Öffnung eines Behälters bilden und für die Aufnahme eines spezifischen Verschlusses gestaltet sind. Ähnlich wie die in den 3, 4 und 5 gezeigten Ansätze 36, 37 weisen die Ansätze 36', 37' eine Nut (nicht gezeigt) auf, die für die Aufnahme eines Abschnitts eines Schlauchs, einer Düse, einer Leitung oder anderer Mittel für die Fluidverbindung mit den Ansätzen 36', 37' und dem Formhohlraum 22' geeignet ist. Der Ansatz 36' kann beispielsweise irgendein Fertigteil sein, das aus einem herkömmlichen Werkstoff wie beispielsweise Kunststoff, Stahl, einer Stahllegierung oder Aluminium gebildet ist. Die erste Arbeitsöffnung 19' ist durch die erste Formhälfte 18' und die zweite Formhälfte 20' an deren jeweiligen ersten Enden 24', 26' gebildet. Die zweite Arbeitsöffnung 21' ist durch die erste Formhälfte 18' und die zweite Formhälfte 20' an deren jeweiligen zweiten Enden 30', 32' gebildet. Die erste Arbeitsöffnung 19' stellt eine Verbindung zwischen dem Extruder 16' und dem Formhohlraum 22' der Blasformvorrichtung 10' und zwischen dem Dorn 14' und dem Formhohlraum 22' der Blasformvorrichtung 10' her. In der in 6 gezeigten Ausführungsform ist der Dorn 14' eine im Wesentlichen gerade Welle. Nach Bedarf kann der Dorn 14' eine beliebige Gestalt und eine beliebige Konfiguration besitzen, die für das Einführen bzw. Einsetzen in die Musterform 12' der Blasformvorrichtung 10' geeignet sind.
Die Unterstützung 41' umfasst eine Basis 43' und einen Schaft 45' und kann an einen Abschnitt des Vorformlings 38' anstoßen. Die Unterstützung 41' ist durch die Ansätze 36', 37' hindurch positioniert und in dem Formhohlraum 22' verschiebbar angeordnet. Die Unterstützung 41' wird durch einen Controller bzw. eine Steuereinrichtung (nicht gezeigt) automatisch betätigt. Nach Bedarf kann die Steuereinrichtung ein herkömmlicher Motor oder ein hydraulischer Kolben sein. Es sei außerdem angemerkt, dass die Unterstützung 41' einer der Roboterarme zum Anordnen der Ansätze 36', 37' in den fertig formenden Formhohlräumen 28', 34' sein kann. In der in 7 gezeigten Ausführungsform besitzt die Basis 43' eine im Wesentlichen zylindrische Form und weist einen ringförmigen Kanal 47' auf, der für die Aufnahme eines Abschnitts des Vorformlings 38' geeignet ist. Die Basis 43' kann irgendeine gewünschte Form besitzen, die durch die Ansätze 36', 37' hindurch positioniert werden kann. Die Basis 43' kann nach Bedarf aus irgendeinem Werkstoff wie etwa Stahl, einer Stahllegierung, Aluminium, Titan, Beton oder einem Kunststoff gebildet sein. Es sei angemerkt, dass die Basis 43' dem zweiten Ansatz 36' entsprechen kann und vor der Extrusion lösbar an dem Schaft 45' befestigt und in der Nähe des ersten Ansatzes 36' in dem Formhohlraum 22' angeordnet werden kann. Beim Extrudieren des Vorformlings 38' verschaffen der erste Ansatz 37' und der Schaft 45' diesem eine Unterstützung, bis der zweite Ansatz 37' in dem zweiten fertig formenden Hohlraum 34' angeordnet wird, der Schaft 45' entfernt wird und der Vorformling 38' durch den zweiten Ansatz 37' hindurch extrudiert wird. In der in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsform ist der Schaft 45' eine Welle, jedoch kann dieser Schaft 45' auch eine Schnecke (nicht gezeigt), ein Kolben (nicht gezeigt) oder eine andere Struktur sein, die geeignet ist, die Unterstützung 41' und die Basis 43' verschiebbar zu positionieren.
Der in 6 gezeigte Extruder 16' ist ein Einschneckenextruder in Verbindung mit der Musterform 12'. Der Extruder 16' umfasst einen Trichter 40', eine Schnecke 42', einen Kolben 44', eine Trommel 46' und eine Arbeitsöffnung 48'. Die Arbeitsöffnung 48' des Extruders 16' ist für die Aufnahme eines Endes des Dorns 14' geeignet. Nach Bedarf kann der Extruder 16' ein herkömmlicher Extruder wie beispielsweise ein Mehrschneckenextruder oder ein Ramextruder sein. Wohlgemerkt können mehrere Extruder mit der Blasformvorrichtung 10' in Verbindung stehen, um mehrere gewünschte Werkstoffe gemeinsam zu extrudieren.
Bei Gebrauch werden der erste Ansatz 36' und der zweite Ansatz 37' in einem Ofen (nicht gezeigt) oder einer anderen herkömmlichen Heizvor richtung erhitzt. Als Nächstes wird der erste Ansatz 36' in einem Abschnitt der ersten Formhälfte 18' oder einem Abschnitt der zweiten Formhälfte 20', die den ersten fertig formenden Formhohlraum 28' bildet, angeordnet. Der zweite Ansatz 37' wird in einem Abschnitt der ersten Formhälfte 18' oder einem Abschnitt der zweiten Formhälfte 20', die den zweiten fertig formenden Formhohlraum 34' bildet, angeordnet. Die erste Formhälfte 18' und die zweite Formhälfte 20' werden dann zusammengefügt, so dass sie die Musterform 12' der Blasformvorrichtung 10' schließen, wobei die Ansätze 36', 37' in den jeweiligen fertig formenden Formhohlräumen 28', 34' angeordnet sind. Wenn die Ansätze 36', 37' erhitzt sind, können wohlgemerkt Roboterarme (nicht gezeigt) oder andere automatisierte Vorrichtungen, die eine starke Hitze aushalten können, dazu verwendet werden, die Ansätze 36', 37' in den fertig formenden Formhohlräumen 28', 34' zu positionieren.
Als Nächstes werden Kügelchen, Flocken oder dergleichen 50' aus einem formbaren Werkstoff in den Trichter 40' des Extruders 16' geladen. Der formbare Werkstoff kann ein herkömmlicher formbarer Werkstoff wie beispielsweise ein Metall, ein Glas, Polyethylen, Ethylen-Vinylalkohol oder ein Ethylen-Vinylazetat-Terpolymer sein. Die Trommel 46' des Extruders 16' wird dann zum Erhitzen bzw. Aufheizen gebracht, während die Schnecke 42' und der Kolben 44' durch einen Controller bzw. eine Steuereinrichtung (nicht gezeigt) in Eingriff gebracht werden. Wenn sich die Schnecke 42' dreht, werden die Kügelchen 50' in dem Trichter 40' in den Extruder 46' gefüllt und längs der Schnecke 42' transportiert, wobei sie durch die Trommel 46' auf eine Temperatur bei einer Schmelztemperatur erhitzt werden. Die geschmolzenen Kügelchen 50' werden dann durch die Arbeitsöffnung 48' und an dem Ende des Dorns 14' vorbei extrudiert. Der Dorn 14' bewirkt, dass der Werkstoff, den die geschmolzenen Kügelchen 50' bilden, einen leeren Raum zwischen dem Dorn 14' und der Arbeitsöff nung 48' füllt, um einen Vorformling 38' zu bilden. Wenn die geschmolzenen Kügelchen 50' ununterbrochen von dem Extruder 16' extrudiert werden, führt der Dorn 14' den Vorformling 38' durch den ersten Ansatz 36' und die erste Arbeitsöffnung 19' der Blasformvorrichtung 10' in die Musterform 12' und durch den zweiten Ansatz 37' und die zweite Arbeitsöffnung 21' der Blasformvorrichtung 10'. Da der Vorformling 38 ununterbrochen an dem Dorn 14' vorbei extrudiert wird, bleibt der Vorformling 38' hohl. Nach Bedarf können mehrere Extruder, die dem in 6 gezeigten Extruder gleichen, mit der Blasformvorrichtung 10' in Verbindung stehen, um gemeinsam mehrere formbare Werkstoffe zu extrudieren und einen mehrschichtigen Vorformling zu bilden. Nach Bedarf können jene mehreren formbaren Werkstoffe irgendeine Kombination von Schichten aus Polyethylen, Ethylen-Vinylalkohol, einem Ethylen-Vinylazetat-Terpolymer oder einem anderen herkömmlichen Polymer umfassen.
Die Gesamtgröße des Vorformlings 38' nimmt, wenn er extrudiert wird, zu. Das Gewicht des Vorformlings 38' verändert sich basierend auf seiner Wandstärke, dem zu seiner Bildung verwendeten Werkstoff, den Abmessungen eines gewünschten geblasenen Objekts und anderen ähnlichen Überlegungen. Wenn der Vorformling 38' extrudiert wird und länger wird, können die Schwerkraft und sein Gewicht eine Wand von ihm an einer Oberseite 39' von ihm in der Nähe der Arbeitsöffnung 48' des Extruders 16' strecken. Wie in 6 gezeigt ist, liegt der Vorformling 38' an der Unterstützung 41' an, um dann, wenn er extrudiert wird, sein Gewicht abzustützen. Die Unterstützung 41' ist durch die Ansätze 36', 37' hindurch positioniert und verschiebbar in dem Formhohlraum 22' angeordnet. Um das Strecken des Vorformlings 38', das durch die Schwerkraft und sein Gewicht bewirkt wird, zu minimieren, wird die Unterstützung 41' mit derselben Rate, wie die Extrusion des Vorformlings 38' vor sich geht, unter Ver schieben aus dem Formhohlraum 22' entfernt, bis der Vorformling 38' durch den zweiten Ansatz 37' hindurch angeordnet ist.
Wenn der Vorformling 38' durch die Ansätze 36', 37' und den Formhohlraum 22' der Blasformvorrichtung 10' hindurch angeordnet ist, wird ein erstes Fluid (nicht gezeigt) dazu gebracht, durch den Dorn 14' in den Vorformling 38' in dem Formhohlraum 22' zu strömen. Das erste Fluid bewirkt, dass sich der Vorformling 38' aufweitet und die Wände des Formhohlraums 22' kontaktiert, wodurch er die Gestalt des Formhohlraums 22' annimmt. Die Aufweitung des Vorformlings 38' ist als Blasformvorgang bekannt. Nach Bedarf kann das erste Fluid ein herkömmliches Fluid wie etwa Luft, Stickstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff sein. Wenn der Vorformling 38' durch das erste Fluid aufgeweitet wird, wird ein Abschnitt des Vorformlings 38' dazu gebracht, mit den erhitzten Ansätzen 36', 37' in Kontakt zu gelangen, an diesen zu haften und mit diesen einen luftdichten Abschluss zu bilden. Wohlgemerkt werden die Ansätze 36', 37' erhitzt, um das Erweichen oder Schmelzen jenes Abschnitts des Vorformlings 38', der mit ihnen in Kontakt gebracht wird, um den luftdichten Abschluss zu bilden, zu erleichtern. Nach Bedarf können die Ansätze 36', 37' auch nicht erhitzt werden. Ähnlich zu den Ansätzen 36, 37 und der Ausführungsform, die in 3 gezeigt sind, wird ein Teil des Werkstoffs, der den Vorformling 38' bildet, durch Blasen zu einer radialen, inneren Oberfläche (nicht gezeigt) der Ansätze 36', 37' geformt. Werkstoff kann in die Nuten und auf die innere Oberfläche geblasen werden und nach Bedarf von den Ansätzen 36', 37' abgeschnitten oder anderweitig bearbeitet werden. Nach Bedarf können die Oberflächen der Ansätze 36', 37', die während des Blasformprozesses mit dem formbaren Werkstoff in Kontakt kommen, vor dem Blasformprozess geätzt, mit einer Grundierung überzogen oder mit einem Klebstoff überzogen werden, um die Haftung der Ansätze 36', 37' an dem formbaren Werkstoff zu fördern. Wohlgemerkt können die Ansätze 36', 37' Nuten, Hohlräume, Kanäle oder Protuberanzen aufweisen, die einen Teil des Werkstoffs aufnehmen können, um diesen an die Ansätze 36', 37' mechanisch anzufügen. Ähnlich zu der in 2 gezeigten Ausführungsform werden, sobald sich der geblasene Werkstoff hinreichend abgekühlt hat, die erste Formhälfte 18' und die zweite Formhälfte 20' der Blasformvorrichtung 10' getrennt und ein Behälter (nicht gezeigt) mit angefügten Ansätzen 36', 37', der geeignet ist, ein zweites Fluid (nicht gezeigt) zu speichern, herausgenommen. Nach Bedarf kann der Behälter für das Speichern irgendeines Fluid wie etwa einer Flüssigkeit oder eines Gas beschaffen sein.
Sobald der Behälter aus der Blasformvorrichtung 10' herausgenommen ist, kann er einem Filamentbewicklungsprozess unterzogen werden, um ein Gefäß (nicht gezeigt) mit einer äußeren Schicht (nicht gezeigt) über dem Behälter und einem Abschnitt der Ansätze 36', 37' zu bilden, das zu dem in 4 gezeigten Gefäß 60 ähnlich ist. Wohlgemerkt kann der zum Bilden der äußeren Schicht verwendete Werkstoff von dem zum Anbringen der äußeren Schicht angewandten Prozess, der Verwendung des Gefäßes und den Eigenschaften des in dem Gefäß zu lagernden Fluids abhängen. Die äußere Schicht kann auf den Behälter aufgebracht werden, indem dieser in ein geschmolzenes Polymer oder Metall eingetaucht wird. Auf den Behälter kann ein Überzug aufgesprüht werden. Außerdem kann um den Behälter ein Leder oder Gewebe aufgenäht oder aufgesteppt werden. Für das Filamentbewickeln wird der Behälter über einem Dorn (nicht gezeigt) angeordnet oder in einer automatischen Filamentwickelvorrichtung (nicht gezeigt) angeordnet und beim Aufbringen der äußeren Schicht gedreht. Die äußere Schicht wird in der Weise aufgebracht, dass die aufgebrachten Filamente (nicht gezeigt) anders als die vorhergehende Filamentschicht aufgelegt oder orientiert sind. Nach Bedarf kann das die äußere Schicht bildende Filament eine Kohlenstoff-Faser, eine Glasfaser, eine Verbundfa ser oder eine Glasfaser mit einer Harzbeschichtung sein. Das mit Filament umwickelte Gefäß wird dann in einen Autoklaven (nicht gezeigt) gesetzt, damit sich die äußere Schicht und das Harz verfestigen können. Der Filamentbewicklungsprozess bildet ein Gefäß mit einer höheren Steifigkeit und Festigkeit, wodurch ein stärkeres, dauerhafteres Gefäß mit einer längeren Nutzungsdauer gebildet ist. Wohlgemerkt kann das Gefäß ein Brennstoffspeicher sein, der zum Befüllen mit Wasserstoff, zur Entnahme von Wasserstoff und der Lagerung von Wasserstoff oder einem anderen Brennstoff geeignet ist. Außerdem kann das Gefäß so beschaffen sein, dass es Temperaturen und Drücken des Brennstoffs in einem weiten Bereich widersteht.
Anhand der obigen Beschreibung kann ein Fachmann ohne weiteres die wesentlichen Merkmale dieser Erfindung feststellen, wobei er, ohne vom Leitgedanken und vom Umfang der Erfindung abzuweichen, verschiedene Abänderungen und Abwandlungen an der Erfindung vornehmen kann, um sie an verschiedenen Verwendungen und Bedingungen anzupassen.

Claims

Vorrichtung zum Blasformen eines Behälters, die umfasst: eine Musterform, in der ein erster fertig formender Formhohlraum und ein Formhohlraum gebildet sind; einen Dorn, der in der Musterform angeordnet ist, wobei der Dorn geeignet ist, einen aus einem formbaren Werkstoff gebildeten Vorformling zu bilden, und geeignet ist, den Vorformling während eines Blasformprozesses in der Musterform zu positionieren; und einen Ansatz, der in dem ersten fertig formenden Formhohlraum der Musterform angeordnet ist, wobei während des Blasformprozesses der Vorformling durch ein erstes Fluid expandiert bzw. aufgeweitet wird, so dass er die Gestalt des Formhohlraums annimmt und an dem Ansatz haftet, um einen Behälter zu bilden, wobei zwischen dem Ansatz und dem aufgeweiteten Vorformling ein im Wesentlichen fluiddichter Abschluss gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen zweiten fertig formenden Formhohlraum in der Musterform umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, die ferner einen zweiten Ansatz, der in dem zweiten fertig formenden Formhohlraum der Musterform angeordnet ist, umfasst, wobei während des Blasformprozesses der Vorformling durch ein erstes Fluid aufgeweitet und zum Haften an dem zweiten Ansatz gebracht wird, um einen Behälter zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei auf eine Oberfläche jenes Ansatzes, der während des Blasformprozesses an den Vorformling anstößt, entweder eine Grundierung oder ein klebender Überzug aufgetragen wird, um die Haftung des Ansatzes an dem aufgeweiteten Vorformling zu erleichtern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ansatz entweder einen Kanal, eine Nut, einen geätzten Abschnitt oder einen Hohlraum besitzt, der bzw. die einen Teil des formbaren Werkstoffs aufnehmen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Unterstützung umfasst, die in der Musterform verschiebbar angeordnet und geeignet ist, das Gewicht des Vorformlings, wenn er durch die Musterform extrudiert bzw. gespritzt wird, zu unterstützen.
Verfahren zum Bilden eines Fluidgefäßes, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Musterform, in der ein erster fertig formender Hohlraum und ein Formhohlraum gebildet sind, Bereitstellen eines Dorns, der in der Musterform angeordnet und geeignet ist, einen aus einem formbaren Werkstoff gebildeten Vorformling aufzunehmen; Bereitstellen eines Ansatzes, wobei der Ansatz in dem ersten fertig formenden Hohlraum angeordnet wird, Positionieren des Dorns und des Vorformlings in dem Hohlraum; Veranlassen, dass ein Fluid durch den Vorformling und die Musterform strömt, um den Vorformling aufzuweiten, so dass er einen Behälter mit der Gestalt des Formhohlraums der Musterform bildet; Herausnehmen des Behälters aus der Musterform; und Aufbringen einer äußeren Schicht auf eine Außenfläche des Behälters.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner den Schritt des Filamentbewickelns des Behälters, um die äußere Schicht zu bilden, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner den Schritt des Vorsehens eines zweiten fertig formenden Hohlraums in der Musterform umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner den Schritt des Bereitstellens mehrerer Ansätze umfasst, wobei ein erster Ansatz in dem ersten fertig formenden Hohlraum angeordnet wird und ein zweiter Ansatz in dem zweiten fertig formenden Hohlraum angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der formbare Werkstoff ein Polymer ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der formbare Werkstoff entweder Polyethylen, Ethylen-Vinylalkohol oder ein Ethylen-Vinylazetat-Terpolymer ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der formbare Werkstoff mehrere Polymerschichten besitzt.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner den Schritt des Erhitzens des Ansatzes, bevor er in dem ersten fertig formenden Hohlraum angeordnet wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner den Schritt des Bereitstellens einer Unterstützung, die verschiebbar in der Musterform angeordnet und geeignet ist, das Gewicht des Vorformlings, wenn er durch die Musterform extrudiert wird, zu unterstützen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die äußere Schicht entweder aus einer Kohlenstoff-Faser, einer Glasfaser, einer Verbundfaser oder einer Glasfaser mit einer Harzbeschichtung gebildet ist.
Im Blasverfahren hergestelltes Gefäß, umfassend: einen Behälter, der aus einem formbaren Werkstoff gebildet ist, wobei der Behälter einen Hohlraum bildet, der geeignet ist, ein Fluid zu speichern: eine äußere Schicht, die um den Behälter angeordnet ist; wenigstens einen Ansatz, der an dem formbaren Werkstoff der inneren Schicht zum Haften gebracht wird, um einen im Wesentlichen fluiddichten Abschluss zu bilden, und der geeignet ist, eine Fluidverbindung mit dem Hohlraum herzustellen; und einen fertig formenden Formhohlraum, der in der inneren Schicht gebildet ist und geeignet ist, den Ansatz aufzunehmen.
Gefäß nach Anspruch 15, wobei die äußere Schicht eine mit Filament gewickelte äußere Schicht ist, die aus einer Glasfaser und/oder einer Kohlenstoff-Faser und/oder einer Kohlenstoff-Verbundfaser und/oder einer Kohlenstoff-Faser mit einer Harzbeschichtung gebildet ist.
Gefäß nach Anspruch 15, wobei der formbare Werkstoff ein Polymer ist.
Gefäß nach Anspruch 15, wobei der formbare Werkstoff aus mehreren polymeren Schichten gebildet ist.