DE102012022537B4 - Closure arrangement for containers made in particular of fiber composite material - Google Patents
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Abstract
Verschlussanordnung für insbesondere aus Faserverbundkunststoff hergestellte Behälter zum Abdichten wenigstens einer vorhandenen Öffnung (2) in dem Behälter, umfassend ein den Randbereich (3) der wenigstens einen Öffnung (2) in einer Behälterwand (1) dichtend außen, innen und randseitig umfassendes Formelement (4), welches der wenigstens einen Öffnung (2) in Form und Größe angepasst und aus einem schweißbaren Kunststoff gebildet ist, und ein in dem Formelement (4) formschlüssig und dichtend gehaltenes Verschlusselement (5), welches ebenfalls aus einem schweißbaren Kunststoff gebildet ist, wobei das Formelement (4) und das Verschlusselement (5) miteinander kraft- und formschlüssig und dicht unter Ausbildung einer einzigen Sichtlinie (13) verschweißt sind.Closure arrangement for containers, in particular made of fiber composite plastic, for sealing at least one existing opening (2) in the container, comprising a molding element (4) sealing the outside area (3) of the at least one opening (2) in a container wall (1) ), which is adapted to the at least one opening (2) in shape and size and formed from a weldable plastic, and in the form element (4) positively and sealingly held closure element (5), which is also formed of a weldable plastic, wherein the mold element (4) and the closure element (5) are non-positively and positively and tightly welded to form a single line of sight (13).
Description
Die Erfindung betrifft eine Verschlussanordnung für insbesondere aus Faserverbundwerkstoff hergestellte Behälter zum Abdichten wenigstens einer Öffnung darin.The invention relates to a closure arrangement for containers made in particular of fiber composite material for sealing at least one opening therein.
Bei der Herstellung von Behältern, welche normaler- aber nicht notwendigerweise unter Druck stehen und insbesondere in der Luft- und Raumfahrt-, aber auch in der Automobiltechnik zum Aufnehmen und Lagern von festen, flüssigen und/oder gasförmigen Medien dienen, werden diese heute zur Gewichtsreduktion wenigstens teilweise aus faserverstärkten Kunststoffen aufgebaut. Insbesondere bei der Herstellung rotationssymmetrischer Behälter bzw. Tanks, werden diese zum Abwickeln der Faserbahnen oder Faserlagen an einem oder zwei gegenüber liegenden Enden (Polen) gehalten. Bedingt durch ein solches Herstellungsverfahren weisen die Behälter dann eine oder zwei auf ihrer Mittelachse liegende Öffnungen auf, die nachträglich verschlossen bzw. abgedichtet werden müssen.In the production of containers, which are normal but not necessarily under pressure and serve in particular in the aerospace, but also in automotive technology for receiving and storing solid, liquid and / or gaseous media, these are now used for weight reduction at least partially constructed of fiber-reinforced plastics. In particular, in the production of rotationally symmetrical containers or tanks, they are held to unwind the fiber webs or fiber layers at one or two opposite ends (Poland). As a result of such a production method, the containers then have one or two openings lying on their central axis, which have to be subsequently closed or sealed.
Zum Verschließen dienen deckelförmige Konstruktionen, welche mit dem Behälter aus insbesondere aber nicht notwendigerweise faserverstärktem Kunststoff direkt oder indirekt formschlüssig verbunden werden und diesen reversibel oder irreversibel verschließen. Diese Vorgehensweise ist mit einem zusätzlichen zeitlichen und finanziellen Aufwand verbunden. Außerdem ist die notwendige Deckelkonstruktion, beispielsweise bezogen auf die Behälteraußenfläche, zwangsläufig schwerer als der Rest des Behälters. Eine Verallgemeinerung des Problems kann darin gesehen werden, dass an derartigen Behältern Anschlüsse, beispielsweise zur Beschickung mit den oder zur Freigabe der oben genannten Medien oder auch zur Belüftung vorgesehen sind oder werden müssen.For closing serve lid-shaped constructions, which are directly or indirectly positively connected to the container of particular but not necessarily fiber-reinforced plastic and close this reversible or irreversible. This procedure is associated with additional time and expense. In addition, the necessary lid construction, for example, relative to the container outer surface, inevitably heavier than the rest of the container. A generalization of the problem can be seen in the fact that such containers are or must be provided with connections, for example for charging with or for releasing the above-mentioned media or else for aeration.
Als Deckelkonstruktionen sind im Stand der Technik für die vorgenannten ”gewickelten” Behälter oder Tanks Metallkonstruktionen im Einsatz. Dabei wird eine durch die Behälterherstellung entstandene polseitige Öffnung nachträglich mit einem Deckel bzw. einer Kappe, eben üblicherweise aus Metall verschlossen. Dazu wird am Umfangsrand der Öffnung ein Metallring vorgesehen, mit welchem der Metalldeckel bzw. die Metallkappe in geeigneter Weise verschraubt wird. Zur Abdichtung ist zwischen Metallring und innerem Öffnungsrand eine Dichtung vorgesehen, die bei der Montage verspannt wird.As lid constructions, metal constructions are used in the prior art for the aforementioned "wound" containers or tanks. In this case, a resulting from the container manufacturing pole-side opening is subsequently closed with a lid or a cap, usually made of metal. For this purpose, a metal ring is provided at the peripheral edge of the opening, with which the metal lid or the metal cap is screwed in a suitable manner. For sealing a seal is provided between the metal ring and the inner edge of the opening, which is braced during assembly.
Es ergeben sich hierbei nicht nur Nachteile aufgrund des zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwands bei der Herstellung, sondern auch eine unerwünschte Gewichtserhöhung bei den fertiggestellten Behältern, was wiederum Einfluss auf die Kosten insbesondere dann haben kann, wenn solche Behälter in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden sollen.This results not only disadvantages due to the additional time and cost involved in the production, but also an undesirable increase in weight in the finished containers, which in turn can affect the cost, especially if such containers are used in aerospace should.
In der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Verschlussanordnung für insbesondere aus Faserverbundwerkstoff hergestellte Behälter zum Abdichten wenigstens einer herstellungsbedingten Öffnung darin. Die Verschlussanordnung soll gleichermaßen dicht sein und die Leichtigkeit des Behälters erhalten. Sie soll kostengünstig und arbeitstechnisch einfach in den Behälter integrierbar sein.The object of the present invention is to provide a closure arrangement for containers made in particular of fiber composite material for sealing at least one production-related opening therein. The closure assembly should be equally dense and maintain the lightness of the container. It should be low cost and labor easily integrated into the container.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach eine Verschlussanordnung für insbesondere aus Faserverbundkunststoff hergestellte Behälter zum Abdichten wenigstens einer Öffnung in der Behälterwand, umfassend ein den Randbereich der wenigstens einen Öffnung in der Behälterwand dichtend umfassendes Formelement, welches der wenigstens einen Öffnung in Form und Größe angepasst und wenigstens teilweise aus einem schweißbaren Kunststoff gebildet ist, und ein in dem Formelement formschlüssig und dichtend gehaltenes Verschlusselement, welches ebenfalls aus einem schweißbaren Kunststoff gebildet ist, wobei das Formelement und das Verschlusselement miteinander kraft- und formschlüssig und dicht unter Ausbildung einer einzigen Sichtlinie verschweißt sind.The subject of the present invention is accordingly a closure arrangement for containers, in particular made of fiber composite plastic, for sealing at least one opening in the container wall, comprising a molding element sealingly surrounding the edge region of the at least one opening in the container wall, which at least one opening is adapted in shape and size and at least partially formed of a weldable plastic, and a form-fitting and sealingly held in the form of closure element closure element, which is also formed of a weldable plastic, wherein the mold element and the closure element are welded together positively and positively and tightly to form a single line of sight.
Durch den Einsatz einer Verschlussanordnung aus schweißbarem Kunststoff, bestehend aus dem den Randbereich der wenigstens einen Öffnung dichtend umfassenden Formelement und dem in dem Formelement formschlüssig und dichtend gehaltenen Verschlusselement kann das Gesamtgewicht des Behälters deutlich reduziert werden, da keinerlei metallische Bauteile, wie Schrauben, Muttern und dergleichen zur Verbindung des Verschlusselementes mit dem Behälter verwendet werden müssen. Es ist nicht erforderlich, die Behälterwand für das Anbringen von Verschlussmitteln zu durchbohren oder Bohrlöcher bereits bei der Herstellung des Behälters vorzusehen. Das Verschließen der herstellungsbedingt in der Behälterwand vorhandenen Öffnungen ist im Gegensatz dazu wenig zeitintensiv und reduziert damit nochmals die Herstellungskosten. Gleichzeitig ist durch das Verschweißen der Teile aus schweißbarem Kunststoff eine hohe Dichtigkeit des Behälters gewährleistet, was insbesondere für die Lagerung von Treibstoffen, teilweise unter Druck (Druckbereich etwa 0 bis 50 bar), ein wesentliches Kriterium ist.Through the use of a closure assembly of weldable plastic, consisting of the edge region of at least one opening sealingly comprehensive form element and the form-fitting and sealingly held in the form of closure element closure element, the total weight of the container can be significantly reduced because no metallic components such as screws, nuts and The same must be used to connect the closure element to the container. It is not necessary to pierce the container wall for the attachment of closure means or provide holes already in the manufacture of the container. The closing of the production-related in the container wall openings is, in contrast, less time-consuming and thus reduces again the manufacturing cost. At the same time a high tightness of the container is ensured by the welding of parts made of weldable plastic, which is an essential criterion in particular for the storage of fuels, partly under pressure (pressure range about 0 to 50 bar).
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Formelement integral in dem Randbereich um die wenigstens eine Öffnung in der Behälterwand mittels Kohle-, Glas-, Aramid oder sonstiger Fasern Faserlagen ausgebildet.In a preferred embodiment of the present invention, the molding element is integrally formed in the peripheral area around the at least one opening in the vessel wall by means of carbon, glass, aramid or other fiber layers.
Alternativ dazu kann man auch von einem Behälter ausgehen, der aus einem reinen oder faserverstärkten thermoplastischen Werkstoff gefertigt wurde und ein Formelement (Fitting) bereits integriert hat, sei es durch integrale Fertigung oder durch Schweißen des Formelements an den vorhandenen Behälter.Alternatively, one may assume a container made of a pure or fiber-reinforced thermoplastic material and having a molded element (fitting) already integrated, either by integral fabrication or by welding the molding element to the existing container.
Aus der
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Formelement ein gesondert gefertigtes Bauteil, eben aus schweißbarem Kunststoff, das während oder nach der Herstellung des Behälters formschlüssig mit dem Randbereich der wenigstens einen Öffnung verbunden wird. Ein solches vorgefertigtes Formelement kann insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn die Behälter im industriellen Maßstab und maschinell gefertigt werden. Das Formelement kann in den Randbereich des Behälters eingesetzt und mit den ”Fasern”, welche zur Herstellung des Behälters verwendet werden, teilweise umwickelt sein/werden. Möglich ist auch ein form- und/oder kraftschlüssiger Verbund durch Verkleben.In a further embodiment of the present invention, the mold element is a separately manufactured component, just made of weldable plastic, which is connected during or after the production of the container form-fitting manner with the edge region of the at least one opening. Such a prefabricated form element can be used in particular when the containers are manufactured on an industrial scale and by machine. The former may be inserted into the edge region of the container and partially wrapped with the "fibers" used to make the container. It is also possible a positive and / or non-positive bond by gluing.
Der Behälter kann an sich jegliche beliebige Querschnittsform die insbesondere Einbauräumen angepasst sein muss, aufweisen.The container can per se have any desired cross-sectional shape, which in particular must be adapted to installation spaces.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Behälter jedoch von rotationssymmetrischer Gestalt, da er dann im Wickelverfahren leicht hergestellt werden kann. Auch ist eine rotationssymmetrische Form für den Einsatz als Treibstofftank für die Luft- und Raumfahrt besonders günstig und wird daher bevorzugt.In the context of the present invention, however, the container is of rotationally symmetrical shape, since it can then be easily manufactured in the winding process. Also, a rotationally symmetrical shape for use as a fuel tank for aerospace is particularly favorable and is therefore preferred.
In vorteilhafter Weise ist der für das Formelement gewählte schweißbare Kunststoff ein thermoplastischer Kunststoff. Thermoplastische Kunststoffe sind aufgrund ihrer Materialeigenschaften sowohl für das Schweißen als auch für den beabsichtigten Einsatzbereich der fertiggestellten Behälter besonders geeignet.Advantageously, the weldable plastic chosen for the molding element is a thermoplastic. Due to their material properties, thermoplastics are particularly suitable both for welding and for the intended use of the finished containers.
In ebenfalls bevorzugter Weise ist deshalb der für das Verschlusselement gewählte schweißbare Kunststoff auch ein thermoplastischer Kunststoff. Denkbar ist hier auch, dass nur der äußere Umfang des Verschlusselementes, welcher mit dem Formelement zu verschweißen ist aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht.In a likewise preferred manner, therefore, the weldable plastic chosen for the closure element is also a thermoplastic. It is also conceivable here that only the outer circumference of the closure element, which is to be welded to the mold element, consists of a thermoplastic material.
Da thermoplastische Kunststoffe unterschiedliche Schmelzpunkte besitzen und das Formelement und das Verschlusselement zum Verschweißen möglichst gleichzeitig über ihren Schmelzpunkt gebracht werden sollen, wird es aus verfahrenstechnischen Gründen bevorzugt, dass der für das Formelement und das Verschlusselement gewählte thermoplastische Kunststoff identisch ist.Since thermoplastics have different melting points and the mold element and the closure element are to be brought as possible above its melting point for welding, it is preferred for procedural reasons that the selected for the mold element and the closure element thermoplastic material is identical.
Für besondere Anwendungsbereiche kann es aber ebenso vorteilhaft sein, dass der für das Formelement und das Verschlusselement gewählte thermoplastische Kunststoff verschieden ist. Man wird dann gegebenenfalls einen Schweißzusatz verwenden, wie beispielhaft weiter unten beschrieben ist.For special applications, however, it may also be advantageous that the thermoplastic chosen for the mold element and the closure element is different. It will then optionally use a welding filler, as described for example below.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wären prinzipiell alle thermoplastischen Kunststoffe einsetzbar. Vorzugsweise ist der thermoplastische Kunststoff jedoch aus der Gruppe, bestehend aus PA (Polyamid(e)), PE (Polyethylen(e)), POM (Polyoxymethylen(e)), PEI (Polyetherimid(e)), PEEK (Polyetheretherketon(e)) ausgewählt.In the context of the present invention, in principle all thermoplastics would be used. Preferably, however, the thermoplastic is selected from the group consisting of PA (polyamide (s)), PE (polyethylene (s)), POM (polyoxymethylene (s)), PEI (polyetherimide (s)), PEEK (polyetheretherketone (s) ).
In einer insbesondere bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem einsetzbaren thermoplastischen Kunststoff um PPS (Polypropylenstyrol)), aufgrund der Trinkwasser- und Brandschutzanforderungen.In a particularly preferred embodiment of the present invention, the thermoplastic material which can be used is PPS (polypropylene styrene), due to drinking water and fire protection requirements.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch denkbar, dass das Formelement und/oder das Verschlusselement aus faserverstärktem Kunststoff zusätzlich eine Faserverstärkung, vorzugsweise mit Glasfasern, aufweist, obwohl die Faserverstärkung tendenziell die Schweißbarkeit herabsetzen kann.In the context of the present invention, it is also conceivable that the molding element and / or the Fiber-reinforced plastic closure element additionally has fiber reinforcement, preferably with glass fibers, although the fiber reinforcement tends to reduce weldability.
Der Behälter besitzt üblicher Weise einen ovalen oder kreisrunden Querschnitt und ist vorzugsweise zylindrisch und die wenigstens eine Öffnung liegt auf der Längsmittelachse des rotationssymmetrischen, zylindrischen Behälters an dessen gegenüberliegenden Polen.The container usually has an oval or circular cross-section and is preferably cylindrical and the at least one opening is located on the longitudinal central axis of the rotationally symmetrical, cylindrical container at its opposite poles.
Abweichend hiervon können in der Behälterwand weitere Öffnungen vorgesehen werden, beispielsweise für Anschlussstücke oder dergleichen. Auch hier kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Verschlussanordnung aus einem Formelement aus thermoplastischen Kunststoff und einem Anschlussstück aus thermoplastischem Kunststoff verwirklicht werden. Eine erhebliche Gewichtsreduktion geht stets mit hoher Dichtigkeit einher.Deviating from this, further openings can be provided in the container wall, for example for connecting pieces or the like. Again, the inventive design of the closure assembly from a molded element made of thermoplastic material and a connector made of thermoplastic material can be realized. A significant weight reduction is always associated with high density.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind Formelement (Fitting) und Verschlusselement (Deckel) von ovaler oder länglicher Form. Das bringt den Vorteil mit sich, dass ein ovales Verschlusselement in ein entsprechend ovales Formelement nachträglich von außen in das Behälterinnere eingesetzt werden kann, also auch nach einem eventuellen Verschluss des Behälters oder für den Fall, dass es keine größeren Öffnungen in der Behälterwand mehr gibt bzw. die Zugänglichkeit von innen eingeschränkt ist. Nach Drehen um 90° kann dann das Verschlusselement formschlüssig an das Formelement angeschlagen werden. Dieser Formschluss ist wesentlich, damit angreifende lasten durch Innendruck abgetragen werden. Ovale Bauteile können im Spritzgussverfahren ebenso leicht hergestellt werden wie runde und stellen somit eine verfahrenstechnisch interessante Variante dar.In a further embodiment of the present invention, the form element (fitting) and the closure element (cover) are of oval or oblong shape. This has the advantage that an oval closure element can be subsequently inserted into a correspondingly oval shaped element from the outside into the interior of the container, thus even after a possible closure of the container or in the event that there are no longer larger openings in the container wall or Accessibility is restricted from the inside. After turning by 90 ° then the closure element can be struck form-fitting to the mold element. This positive connection is essential so that attacking loads are removed by internal pressure. Oval components can be produced by injection molding as easily as round and thus represent a technically interesting variant.
Nachfolgend werden einige Details zu der erfindungsgemäßen Verschlussanordnung anhand der Figuren erläutert. Darin zeigen:Some details of the closure arrangement according to the invention will be explained below with reference to the figures. Show:
In der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen wird ausschließlich auf einen rotationssymmetrischen Behälter in zylindrischer Form Bezug genommen, obwohl sowohl abweichende Querschnittsformen als auch Kugelformen denkbar sind und somit gleichermaßen von der vorliegenden Erfindung umfasst sind.In the following description of the drawings, reference will be made exclusively to a rotationally symmetrical container in cylindrical form, although both deviating cross-sectional shapes and spherical shapes are conceivable and are thus likewise encompassed by the present invention.
Rotationssymmetrische zylindrische Behälter, wie sie als Tanks für flüssige oder auch feste Treibstoffe, insbesondere in der Luft- und Raumfahrttechnik verwendet werden, zeichnen sich durch einen mehr oder weniger langen Hohlkörper aus, der sich um eine Längsmittelachse
Ein Randbereich
Erfindungsgemäß sind das Formelement
Die so gefügten Teile, d. h. das Formelement
In
Alternativ zu dem oben beschriebenen Schweißverfahren können auch das Reibschweißen, das Schweißen mit Heißluftgebläse oder integriertem Heizdraht, das Ultraschall- oder das Laserverfahren angewendet werden.As an alternative to the welding method described above, friction welding, hot air blower welding or integrated heating wire welding, ultrasonic or laser machining can also be used.
Das Formelement
So ist gemäß
Auch gemäß
Die Ausführungsform gemäß
Die Ausführungsform gemäß den
Wird eine oben beschriebene Verschlussanordnung nur polseitig an den zu verschließenden Behälterrohlingen eingesetzt, spricht man im Ganzen auch von einer Polkappe, in Verbindung mit dem Formelement auch von einem sogenannten Polring. Die erfindungsgemäße Verschlussanordnung ist aber nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt.If a closure arrangement described above is used only on the pole side of the container blanks to be closed, the whole is also referred to as a polar cap, in conjunction with the shaped element also by a so-called pole ring. However, the closure arrangement according to the invention is not limited to this application.
Die Vorteile der Erfindung liegen nach den bisherigen Ausführungen auf der Hand. Das Vorsehen der Verschlussanordnung ist sehr einfach und mit wenigen Mitteln durchzuführen. Das Verbinden der Elemente geht rasch von statten, es werden nur wenige Bauteile benötigt. Der Gesamtaufbau wird zuverlässig abgedichtet und ein mit der erfindungsgemäßen Verschlussanordnung ausgerüsteter Behälter ist nach seiner vollständigen Fertigstellung extrem leicht.The advantages of the invention are obvious according to the previous versions. The provision of the closure arrangement is very simple and to carry out with few means. The joining of the elements is quick, it requires only a few components. The overall construction is reliably sealed and a container equipped with the closure arrangement according to the invention is extremely light after its complete completion.
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