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Die Erfindung betrifft einen Behälter aus Faserverbundwerkstoffen mit innenliegender Funktionsschicht und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Behälter aus faserverstärkten Kunststoffen mit außenliegender Formseite.
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Eine spezielle Art von gattungsgemäßen Behältern sind Drucktanks, welche zur Speicherung von Fluiden unter Drücken über oder unter dem Umgebungsdruck eingesetzt werden. Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung liegt auf dem Gebiet von trinkwassergeeigneten Speicherbehältern, die aufgrund spezieller Anforderungen und konstruktiver Gegebenheiten als im Hinblick auf ihre Geometrie und ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften komplexe Behälterstrukturen ausgeführt sind.
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Im Stand der Technik werden Behälter aus Faserverbundwerkstoffen beispielsweise mit Wickelverfahren, wie dem Nasswickeln, dem Prepregwickeln oder dem Thermoplastwickeln von endlosfaserverstärkten Kunststoffen erzeugt. Dabei werden entweder konvexe Geometrien auf einen formstabilen Liner gewickelt, welcher als innere Auskleidung im Bauteil verbleibt, oder die konvexen Geometrien werden auf einen formstabilen Kern gewickelt, welcher nach der Härtung durch Teilung der Bauteilstruktur entfernt werden muss. Die Führung und der rotierende Antrieb des Wickelkerns bedingen polkappenseitige Öffnungen, welche nachträglich mit zusätzlichen Anbauteilen verschlossen werden müssen. Weiterhin ist gegebenenfalls ein zusätzlicher Arbeitsschritt zur Aufbringung einer Funktionsschicht notwendig.
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Behälter mit Funktionsschicht sind erforderlich für Anwendungen, bei denen der Tankinhalt nicht mit dem Faserverbundwerkstoff in Verbindung kommen darf. Eine solche Anwendung ist die Speicherung von Trinkwasser, welches wegen bestehender Vorschriften aus gesundheitlichen Gründen nicht mit den Faserverbundwerkstoffen in Kontakt kommen darf. Dem Schutz des Trinkwassers dient ein Innenbehälter aus thermoplastischem oder duroplastischem Kunststoff, aus Edelstahl, der entsprechend dünn auch lediglich als Funktionsschicht in der Form eines Anstriches ausgebildet sein kann, da der den Innenbehälter umgebende Außenbehälter die auftretenden Druck- und Gewichtsbelastungen aufnimmt.
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In der
DE 195 00 319 A1 wird ein Verfahren zum Herstellen von Tanks aus einem Außenbehälter aus Faserverbundwerkstoff und einem dünnwandigen Innenbehälter aus thermoplastischem Kunststoff beschrieben, wobei der Faserverbundwerkstoff auf einen Liner aus thermoplastischem Kunststoff gewickelt wird.
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Die
US 6,582,540 B1 offenbart eine Methode zur Herstellung eines Druckbehälters, umfassend eine innere Liner-Lage aus Polymermaterial, wie Polyolephin oder ähnlichem, und eine äußere faserverstärkte und druckfeste Schicht. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch eine Behandlung der Außenseite der inneren Lage, um die Benetzbarkeit der Polymermaterialien zu verbessern.
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In der
DE 10 2004 023 286 A1 wird ein Behälter zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten sowie viskosen Stoffen, insbesondere von Trink- und Abwasser oder Kraftstoff beschrieben. Der Behälter ist aus einem dünnwandigen Mantel ausgebildet, wobei die Innenseite des Behälters eben und glatt und die Außenseite des Behälters integral mit über die Außenseite hinausragenden Versteifungen versehen ist. Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Behälters und dessen Verwendung offenbart.
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Eine Weiterentwicklung der Wickelverfahren von Behältern aus Faserverbundwerkstoffen stellt die Herstellung mittels Blastechnik mit Außenwerkzeug dar, bei dem das Aufblasen von Faserverbundwerkstoffkonturen unter Verwendung eines formgebenden Außenwerkzeuges zur Erzeugung von Hohlstrukturen führt. Insbesondere ist der Einsatz mehrteiliger Werkzeugkonzepte im Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise zur PET-Flaschenherstellung.
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Die
DE 197 51 687 C2 offenbart ein Formelement zur Herstellung eines Formwerkzeugs mittels einer Hilfsform. Das Formelement umfasst eine formbare und an die Hilfsform mit mindestens einer Formseite anlegbare Formhülle sowie auf einer der Hilfsform abgewandten Seite der Formseite in einer Füllmaterialkammer angeordnetes Füllmaterial. Dieses Füllmaterial ist durch Verdichten in einen Endformzustand bringbar und stabilisiert in diesem die Endform der Formhülle.
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In der
AT 260 773 B werden durch Blasverformen hergestellte Behälter aus Kunststoff beschrieben, insbesondere aus thermoplastischem Material. Die Beschreibung bezieht sich insbesondere auf eine neuartige Ausführung des Behälterbodens im Bereich der Schweißnaht und auf eine spezielle Ausführung einer Blasformvorrichtung, die sich zum Herstellen der erfindungsgemäßen Behälter besonders eignet.
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Die
AT 510 588 B1 offenbart eine Anlage sowie ein Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern durch Spritzgießen und nachfolgendes Blasformen. Die Anlage umfasst ein Spritzgießwerkzeug mit mindestens einer Kavität zur Herstellung eines Vorformlings mit einem Halsfortsatz sowie einem an den Halsfortsatz anschließenden Hohlkörperteil, eine Blasform zur Formgebung des Hohlkörpers aus dem Vorformling und Transfermittel zum Transport des Vorformlings vom Spritzgießwerkzeug hin zur Blasform.
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In der
DE 10 2011 119 771 A1 schließlich wird ein Gasspeichertank mit einer konstruktiven Außenschicht, einer inneren Auskleidungsschicht, einem ringförmigen Vorsprung und einem flüssigen Dichtmittel offenbart, welches eine gasdichte Dichtung bereitstellt.
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Die
US 3 937 781 A zeigt ein als zylindrischen Hohlkörper ausgebildetes Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff auf Basis eines aushärtbaren Harzes. Das Bauteil soll eine definierte Wanddicke aufweisen und wird dazu bei der Herstellung außenseitig von einer aufblasbaren, nicht dehnbaren Hülse und innenseitig von einem ebenfalls aufblasbaren Beutel aus einem dehnbaren Material geformt. Nach dem Aushärten des Bauteils wird der Beutel aus dem Inneren des Bauteils entnommen.
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Die den nächstkommenden Stand der Technik bildende
DE 699 19 552 T2 betrifft einen Druckbehälter aus Verbundwerkstoff und dessen Herstellung durch Einbringen eines aufblasbaren Beutels mit integrierter Heizeinrichtung in das Innere der Form. Sowohl der Verbundwerkstoff des Druckbehälters als auch das Material des aufblasbaren Beutels sind thermoplastische Kunststoffe. Beim Erhitzen werden beide Materialien aufgeschmolzen und auf diese Weise so verschweißt, dass durch den aufblasbaren Beutel eine Innenbeschichtung des Druckbehälters gebildet ist.
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Nachteilig an Behältern mit Funktionsschichten nach dem Stand der Technik ist, dass zusätzliche mit Kosten und Aufwand verbundene Arbeitsschritte zur Herstellung erforderlich sind oder dass die Funktionsschichten selbst aufwendig erzeugt oder als separate Behälter ausgeführt werden müssen. Die Verbindung thermoplastischer Materialen ist mit Schmelzvorgängen auch in der Funktionsschicht verbunden, was zu einer Fehleranfälligkeit in Bezug auf deren Dichtheit führen kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Herstellung komplex geformter Behälter, beziehungsweise Behälterstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen, welche neben den Anforderungen der Erreichung komplexer Geometrien eine hohe mechanische Stabilität und definierte Oberflächeneigenschaften, insbesondere Trinkwasser- und Lebensmitteleignung, aufweisen. Die Herstellung soll dabei mit einer möglichst hohen Prozesssicherheit insbesondere in Bezug auf die Funktionalität der aufzubringenden Funktionsschicht erfolgen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Behälter und ein Verfahren zur Herstellung der Behälter gemäß den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß insbesondere durch einen Behälter aus Faserverbundwerkstoffen mit innenliegender Funktionsschicht gelöst, wobei die innenliegende Funktionsschicht als diffusionsdichte Druckblase ausgebildet ist. Die diffusionsdichte Druckblase ist mit den außenliegenden Faserverbundwerkstoffen nach dem Aushärten des Behälters während des Herstellungsprozesses verbunden. Darunter soll im Sinne der Erfindung verstanden werden, dass die Druckblase und die außen an dieser anliegenden Faserverbundwerkstoffe einen gemeinsamen Hohlkörper bildend miteinander verbunden sind. Die Druckblase zieht sich nicht nach Entweichen des Druckes wieder zusammen. Die äußere Oberfläche der Druckblase ist adhäsiv oder kohäsiv mit der innen liegenden Oberfläche der Faserverbundwerkstoffe verbunden. Folglich bildet die Druckblase nach dem Aushärten des Behälters die innenliegende Schicht, insbesondere Funktionsschicht, des als Hohlkörper ausgebildeten Behälters.
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Insbesondere ist die diffusionsdichte Druckblase als dehnfähiger Folienliner aus trinkwassergeeignetem Kunststoff ausgebildet und die erzeugten Behälter sind somit bevorzugt als Drucktanks für Trinkwasser einsetzbar. Alternativ ist die Druckblase als Blasformling ausgebildet.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in die außenliegende Faserverbundwerkstoffschicht des Behälters oder zwischen die außenliegende Verbundwerkstoffschicht und die innenliegende Funktionsschicht in Form der Druckblase Verstärkungsschichten oder Funktionselemente integriert beziehungsweise angeordnet.
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Die Verstärkungsschichten sind aus Faserverbundwerkstoffen, Kunststoffen oder aus Metall ausgebildet und entsprechend der erforderlichen mechanischen Stabilität des Behälters an den entsprechenden Verstärkungsbereichen angeordnet.
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Besonders vorteilhaft ist, dass Verstärkungsschichten auf einfache Weise an den Werkzeugfügezonen des mehrteiligen Außenwerkzeuges angeordnet werden können und lastübertragende Überlappungsbereiche ausbildbar sind. Damit lassen sich besonders sensible Bereiche hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit gezielt und kosteneffizient lokal verstärken.
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Weiterhin von Vorteil ist die Ausgestaltung der Erfindung, dass Funktionselemente aus Metall oder Kunststoffen in den Behälter ohne nachträglichen zusätzlichen Aufwand integriert werden können. Als Funktionselemente in diesem Sinne sind Anschluss- und Befestigungsmöglichkeiten für den Behälter wie Laschen, Ösen und Stutzen oder Ähnliches in den Behälter ein- beziehungsweise an den Behälter anformbar.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltungsform werden Verstärkungsschichten oder Funktionselemente rotationssymmetrisch ausgebildet, weil dadurch eine maximale Wirkung von Verstärkungsschichten beispielsweise erzielbar ist. Weiterhin vorteilhaft erreichbar ist die Verstärkung von Flanschbereichen im oder am Behälter, die in der Regel jedoch nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sind.
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Die Aufgabe zur Erzeugung von Behältern wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei welchem Außenwerkzeuge zur Erzeugung der Behälterkonturen eingesetzt werden. Dabei werden einzelne Lagen von Faserverbundwerkstoffen schichtenweise in ein mindestens zweischaliges Außenwerkzeug eingebracht. Abschließend wird eine diffusionsdichte Druckblase in das Werkzeug eingebracht, die Teile des Außenwerkzeuges werden miteinander verbunden und die Druckblase wird aufgeblasen. Dies führt zur Verdichtung der außenliegenden Faserverbundwerkstoffe und der entstehende Behälter wird ausgehärtet und nachfolgend aus dem Außenwerkzeug entnommen. Die Druckblase verbleibt erfindungsgemäß als innenliegende Funktionsschicht in dem Behälter und ist mit diesem verbunden.
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Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden Verstärkungsschichten und Funktionselemente in oder zwischen die Lagen von Faserverbundwerkstoffen eingebracht. Das Aushärten des Behälters erfolgt nach dem Verfahren der Prepreg-Autoklavhärtung, der Prepreg-Ofenhärtung, in Nasspresstechnik oder mittels Vakuuminfusion.
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Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass der Behälter als Hohlstruktur mittels eines zweischaligen Außenwerkzeuges hergestellt wird, in welches bei geöffnetem Laminierwerkzeug die einzelnen Lagen von Faserverbundwerkstoffen schichtenweise eingebracht werden und dass nach Abschluss des Lagenaufbaus die Druckblase als Prozesshilfsmittel eingebracht wird, welche gemäß ihrer erfindungsgemäßen Doppelfunktion im Behälter nach dem Aushärten verbleibt und als Funktionsschicht wirkt.
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Es können beliebig positionierbare Verstärkungsbereiche generiert werden, in dem an entsprechend ermittelten Orten gezielt Verstärkungsschichten beim Lagenaufbau des Behälters angeordnet werden. Insbesondere sind für die Sicherstellung struktureller Integrität des Behälters an den Werkzeugfügezonen Verstärkungsbereiche vorgesehen, die als lastübertragende Überlappungsbereiche der Faserverbundwerkstoffe ausgeführt werden.
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Die Verpressung des Laminats während des Aushärteprozesses wird durch die diffusionsdichte Druckblase realisiert, wobei diese erfindungsgemäß eine Doppelfunktion erfüllt, in dem sie eine Funktionsschicht bildet, die auch nach dem Herstellungsprozess im Behälter verbleibt und somit Teil des Behälters selbst wird. Die diffusionsdichte Druckblase wirkt sowohl als dehnfähiges Prozesshilfsmittel für die Verpressung während der Aushärtung des Laminats als auch als Funktionsschicht mit beispielsweise trinkwassertauglichen Eigenschaften für die Innenbeschichtung des Behälters. Die Druckblase wird folglich aus einem Material gewählt, welches einerseits den erforderlichen Prozessparametern, wie hohen Drücken und Temperaturen und chemisch aggressiven Medien standhält und andererseits soll die Druckblase eine adhäsive Anbindung an die außenliegende Struktur des Faserverbundwerkstoffes des Behälters gewährleisten. Die Eigenschaften der Druckblase bestehen somit funktionsgemäß in einer Resistenz gegenüber den Belastungen durch die hohe Prozesstemperatur und den Prozessdruck sowie auch in einer chemischen Beständigkeit verbunden mit den gewünschten Oberflächeneigenschaften des Behälterinneren zur Aufnahme bestimmter Fluide.
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Die Vorteile der Erfindung sind sehr vielfältig. Zunächst ist die Herstellung eines endlos faserverstärkten Hohlkörpers in einem Prozessschritt ohne nachträgliches Auftrennen, Neufügen, Abdichten und Beschichten möglich. Die Herstellung ist somit besonders kosteneffizient realisierbar. Durch das Herstellungsverfahren und die Reduzierung der Arbeitsschritte ist die Herstellungszeit kürzer, was zu weiteren positiven Effekten hinsichtlich des Aufwandes und damit der Kosten für die Herstellung des Behälters führt. Erfindungsgemäß steht der Vorteil im Mittelpunkt, dass ein erforderliches Prozesshilfsmittel, die Druckblase, gleichzeitig als Funktionselement wirkt, welches eine funktionale Oberfläche im fertigen Bauteil zur Verfügung stellt.
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Das dargestellte Verfahren zur Erzeugung des Behälters ermöglicht die nicht zwingend rotationssymmetrische Versteifung und auch die eingesetzten Funktionselemente sind im Gegensatz zu anderen nach der Wickeltechnik hergestellten Behältern nicht zwingend rotationssymmetrisch.
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Weiterhin von Vorteil ist, dass keine zusätzlichen Anschlusselemente notwendig sind, um herstellprozessspezifische Öffnungen im Nachhinein zu verschließen.
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Im Ergebnis ist möglich, konvexe und konkave Formengeometrien mit Abflachungen, seitlichen Anschlussstutzen und einen nicht rotationssymmetrischen Behälterquerschnitt zu realisieren.
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Von besonderem Vorteil ist die Integration beliebiger lokaler Verstärkungen.
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Der Erfindungsgedanke umfasst weiterhin die Ausgestaltung von Funktionsschichten für verschiedenste Anwendungen. Beispielsweise sind chemisch inerte Folienliner eingesetzt, um Tanks für aggressive chemische Substanzen herzustellen oder auch diffusionsdichte Funktionsschichten für die Drucklagerung von Gasen zu ermöglichen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: Werkzeug zur Herstellung von Behältern mit außenliegenden Faserverbundwerkstoffen in geschlossenem Zustand und
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2: schematischer Behälterquerschnitt.
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Die 1 zeigt ein Werkzeug zur Herstellung von Behältern mit außenliegenden Faserverbundwerkstoffen. Das Werkzeug wird auch als Außenwerkzeug bezeichnet und besteht aus zwei Werkzeughälften 2, 3, die in 1 bereits im geschlossenen Zustand dargestellt sind. Die Werkzeughälften 2, 3 umschließen einen Raum, welcher die äußere Behälterkontur des Behälters festlegt. Lagen von Faserverbundwerkstoffen 4 sind außenliegend an den Werkzeughälften 2, 3 des Außenwerkzeuges angeordnet. Innenliegend ist eine Druckblase 5 als Prozesshilfsmittel in das Außenwerkzeug eingebracht, welche eine Doppelfunktion erfüllt. In oder zwischen die Lagen von Faserverbundwerkstoffen 4 sind rotationssymmetrische Verstärkungsstrukturen 6, lokale Strukturverstärkungen durch zusätzliche Lagenpakete 7 und auch lokal integrierte Funktionselemente 8 in der Behälterstruktur angeordnet.
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Nach dem Verschließen der Werkzeughälften 2, 3 wird Pressluft 9 in die Druckblase 5 eingeleitet, welche als dehnfähiger Folienliner 5 ausgeführt ist, was mit einem Pfeil in 1 schematisch dargestellt ist. Die Pressluft 9 füllt den Raum aus und drückt die Druckblase 5 von innen an die Lagen von Faserverbundwerkstoffen 4 was zur Verdichtung der Lagen und zur Ausbildung der Behälterkontur führt.
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Durch die Einleitung von Pressluft 9 in den als diffusionsdichte Druckblase ausgebildeten Folienliner 5 und gleichzeitiges Evakuieren des Zwischenraums zwischen dem Laminat aus Endlosfasern 4 und den Innenseiten der Werkzeughälften 2 und 3 wird eine gleichmäßige Verpressung der Laminatschichten 4 an die Innenseiten der Werkzeughälften 2, 3 erreicht. Durch die Entfernung von überschüssiger Luft aus dem Verbund entstehen Bauteile mit nur sehr geringen Lufteinschlüssen. Durch den Druck erhöht sich der Faservolumenanteil an den Außenseiten des Behälters 1 und die Form des Hohlraums zwischen den Werkzeughälften 2, 3 wird dem Behälter aufgeprägt. Das Harz in den Lagen der Faserverbundwerkstoffe 4 wird schließlich bei der jeweils entsprechenden Temperatur ausgehärtet.
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Nachdem das Laminat 4 auf dem Folienliner 5 im Autoklav durch die hohen Temperaturen ausgehärtet ist, kann der fertige Behälter 1 aus den Werkzeughälften 2, 3 entnommen werden.
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In 2 ist ein Querschnitt durch einen fertigen Behälter 1 mit unterschiedlichen Böden schematisch dargestellt. Der Behälter 1 besteht aus außenliegenden Lagen von Faserverbundwerkstoffen 4 und einem innenliegenden Folienliner 5. In den Behälter 1 integriert sind rotationssymmetrische Verstärkungsstrukturen 6, lokal integrierte Funktionselemente 8. Die lokal integrierten Funktionselemente 8 sind beispielsweise Aufnahmen, Laschen, Zentrierungsmittel, Transport- und Befestigungsösen oder Ähnliches. Weiterhin sind im Behälter 1 lokale Strukturverstärkungen durch zusätzliche Lagenpakete 7 enthalten. Die Böden zu beiden Seiten des Behälters 1 sind einmal eben und einmal konkav ausgebaucht ausgeführt. Der konkav ausgebauchte Boden des Behälters 1 ist mit einer lokalen Strukturverstärkung durch zusätzliche Lagenpakete 7 verstärkt.
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Der Folienliner 5 verbleibt als Funktionsschicht im ausgehärteten Bauteil und ist als trinkwassertaugliche Innenbeschichtung ausgeführt.
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Als Materialien für Innenbehälter werden beispielsweise thermoplastisches Polyurethan TPU, Polyetherimid PEI, Polyethersulfon PES oder Polyphenylensulfid PPS eingesetzt.
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Zusammenfassend bestehen die Vorteile der Erfindung insbesondere darin, dass die Fertigung auch komplexer Behälterstrukturen in einem integralen Fertigungsschritt erfolgen kann und mittels der beanspruchten Technologie hochintegrative Tank- beziehungsweise Behälterstrukturen realisierbar sind. Hinzu tritt, dass durch die Fertigungstechnologie bedingt außenliegende Flächen als Sichtflächen in einer ansprechenden Optik ausgeführt werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass mit Prepreg-Autoklavverfahren eine sehr hohe reproduzierbare Bauteilqualität erreicht werden kann.
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Von Vorteil ist auch der gestreckte Faserverlauf der Faserverbundwerkstoffe ohne Faserkreuzungspunkte auf der Basis unidirektionaler Rovinggelege, die als Hochleistungsbauteile einsetzbar sind.
