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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers umfassend ein Innenelement aus einem metallischen oder nichtmetallischen Werkstoff und ein das innere Element umgebendes Außenelement aus einem Faserverbundwerkstoff.
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Aus
DE 199 30 347 A1 ist es bekannt, Halbschalen bestehend aus einem Aluminiumbauteil mit einer Oberflächenbeschichtung aus Polyamid für die Herstellung von Kraftstofftanks für Kraftfahrzeuge zu verwenden. Hinsichtlich der Herstellung des Aluminiumbauteils ist in diesem Dokument nichts Konkretes offenbart. Das Polyamid soll insbesondere als Pulverbeschichtung mittels Polyamidpulver aufgetragen werden.
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Aus
DE 10 2008 009 723 A1 sind Hochdruckspeichergefäße für durch eine Brennstoffzelle angetriebene Fahrzeuge bekannt, die ein Innenelement aus einem metallischen oder nichtmetallischen Werkstoff und ein das innere Element umgebendes Außenelement aus einem Faserverbundwerkstoff umfassen. Hinsichtlich der Herstellung solcher Hochdruckspeichergefäße wird auf die Möglichkeit verwiesen, zunächst das innere Element her- bzw. bereitzustellen und anschließend ein Außenelement durch Aufwickeln eines mit einem Kunststoffharz getränkten, faserförmigen Strangs im Wickelverfahren zu erzeugen.
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Aus
DE 10 2012 002 996 A1 ist ein Wasserstoffspeichertank bekannt, der in einer Ausführungsform eine innere Schale aus einem Metall und zwei äußere Schalen aus Faserverbundwerkstoff aufweist, die im Wickelverfahren gebildet sind.
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Aus
DE 101 56 377 A1 ist ein zylindrischer Kompositdruckgasbehälter mit einem inneren, metallischen oder nichtmetallischen Liner und einem äußeren, vorgefertigten Mantelrohr aus Faserverbundkunststoff bekannt, die fest miteinander verbunden sind. Zur Herstellung wird der metallische Liner mittels Gasdruck so weit verformt, dass eine kraftschlüssige und unlösbare Verbindung zwischen dem Liner und dem den Umfang verstärkenden Mantelrohr aus Laminat entsteht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines als Tank für flüssige Kraftstoffe geeigneten Hohlkörpers umfassend ein Innenelement aus einem metallischen oder nichtmetallischen Werkstoff und ein das innere Element umgebendes Außenelement aus einem Faserverbundwerkstoff zur Verfügung zu stellen, wobei der Hohlkörper eine hohe Diffusionsdichte, eine hohe Festigkeit sowie ein geringes Gewicht aufweisen soll und zugleich in flexiblen Geometrien herstellbar sein soll.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers mit einem Innenelement aus einem metallischen oder nichtmetallischen Werkstoff und einem das Innenelement umgebenden Außenelement aus einem Faserverbundwerkstoff umfasst folgende Verfahrensschritte:
- a) Anordnung eines für die Innenhochdruckumformung geeigneten, metallischen oder nichtmetallischen Innenelements sowie eines dieses umgebenden, textilen Fasergebildes in einem Gehäusewerkzeug, welches eine zu erzielende Sollgeometrie des Hohlkörpers vorgibt, und Schließen des Gehäusewerkzeuges,
- b) Einbringen eines Fluids in das Innenelement und Erzeugung der zu erzielenden Sollgeometrie mittels Innenhochdruckumformung,
- c) Benetzen des textilen Fasergebildes mit einem Matrixwerkstoff und Aushärten des Matrixwerkstoffes derart, dass aus dem Fasergebilde und dem ausgehärteten Matrixwerkstoff ein Außenelement Faserverbundwerkstoff entsteht.
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Unter einem textilen Fasergebilde werden in diesem Zusammenhang jegliche durch Fügen erzeugte, zweidimensionale und dreidimensionale textile Gebilde verstanden, wie z.B. Gewebe, Gewirke, Gestricke, Geflechte, Nähgewirke, Vliesstoffe, Filze, Schläuche, Strümpfe oder textile Halbzeuge. Diese Gebilde sind vorzugsweise aus ungetränkten Fasern hergestellt oder aus Fasern, die nur so schwach getränkt sind, dass zur Erzeugung eines Faserverbundwerkstoffes noch ein weiterer Matrixwerkstoff ergänzt werden muss. Als Fasern geeignet sind insbesondere Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramidfasern, so dass als resultierende Faserverbundwerkstoffe insbesondere kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) in Frage kommen. Wegen ihrer hohen Zugfestigkeit besonders bevorzugt sind Kohlenstofffasern, welche häufig zusammen mit gut fließfähige und somit Matrixwerkstoffe mit geringer Viskosität verwendet werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich, insbesondere als Tank für flüssige Kraftstoffe geeignete, Hohlkörper herstellen, die ein nur geringes Gewicht, eine hohe Festigkeit und eine hohe Diffusionsdichte aufweisen.
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Ferner können die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hohlkörper sehr flexible Geometrien aufweisen. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass das Außenelement aus Faserverbundkunststoff in zwei Schritten und somit zeitlich versetzt erstellt wird, wobei in einem ersten Schritt zunächst nur ein textiles Fasergebilde gebildet wird, das völlig frei von Harz oder sonstigen Matrixwerkstoffen sein und damit und flexibel verarbeitet und hergestellt werden kann. Erst in einem späteren Schritt, nachdem bereits diese Sollgeometrie des Hohlkörpers erzeugt wurde, wird das Außenelement mit einem Matrixwerkstoff benetzt und der Matrixwerkstoff ausgehärtet, um einen Faserverbundwerkstoff zu bilden. Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildetes Außenelement aus Faserverbundwerkstoff kann bei entsprechender Dimensionierung eine sehr hohe Festigkeit aufweisen. Dadurch kann das Innenelement mit sehr geringer Materialstärke ausgeführt werden und muss keine tragende Funktion erfüllen. Das Innenelement dient bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise ausschließlich als Diffusionssperre, wodurch sehr geringe Materialstärken des Innenelements realisierbar und der Hohlkörper insgesamt ein nur geringes Bauteilgewicht aufweist. Die Wanddicke des Innenelements beträgt bevorzugt maximal 1 mm, besonders bevorzugt maximal 0,8 mm und weiter bevorzugt maximal 0,6 mm.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das textile Fasergebilde mindestens eine Versteifung, eine Verstärkung, eine Verjüngung, einen Befestigungspunkt oder einen Fixierpunkt auf und wird vor der Innenhochdruckumformung in einer Solllage in dem Gehäusewerkzeug angeordnet. Dies kann insbesondere durch Verwendung von zusätzlichen Befestigungselementen oder von Klebeverbindungen erfolgen. So kann sichergestellt werden, dass das Fasergebilde nach Durchführung der Innenhochdruckumformung und Anpressung des Fasergebildes in dem Gehäusewerkzeug korrekt positioniert ist und somit auch speziell gestaltete Bereiche des Fasergebildes (z.B. Verstärkungen etc.) an dem Hohlkörper korrekt positioniert sind.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde die Geometrie des textilen Fasergebildes vor der Innenhochdruckumformung bereits an die Sollgeometrie des Hohlkörpers angepasst. Damit ist insbesondere gemeint, dass das Fasergebilde eine ähnliche Form wie die Sollgeometrie aufweist. Insbesondere sollen Bereiche mit einem in der Sollgeometrie größeren Durchmesser bei dem Fasergebilde ebenfalls einen größeren Durchmesser aufweisen, Bereiche mit einem in der Sollgeometrie kleineren Durchmesser einen kleineren Durchmesser. Das Fasergebilde weist bevorzugt genau die Sollgeometrie oder eine geringfügig kleiner skalierte Sollgeometrie auf. Weist das Fasergebilde exakt die Sollgeometrie auf, werden bei den Innenhochdruckumformungen keine zusätzlichen Spannungen in dem textilen Fasergebilde erzeugt. Ist das Fasergebilde etwas kleiner skaliert, entsteht bei der Innenhochdruckumformung eine ungefähr gleichmäßige Spannungsverteilung in dem textilen Fasergebilde. Wenn aufgrund von Verstärkungen in dem Fasergebilde einzelne Bereiche unterschiedlich elastisch sind, kann die Form des Fasergebildes auch so an die Sollgeometrie angepasst werden, dass sich während der Innenhochdruckumformung eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung in dem Fasergebilde ergibt. Beispielsweise kann festgelegt werden, dass die maximale Abweichung der Materialspannungen in dem gesamten Fasergebilde nicht größer als 50 Prozent, bevorzugt nicht größer als 30 Prozent und besonders bevorzugt nicht größer als 15 Prozent sind.
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In einer anderen praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine Vielzahl von Fasergebilden in Solllagen derart in dem Gehäusewerkzeug angeordnet, dass diese während der Innenhochdruckumformung zu einem einheitlichen Fasergebilde verpresst werden. Es ist insofern nicht zwingend erforderlich, dass das Innenelement von nur genau einem einheitlichen Fasergebilde umschlossen ist. Es können auch mehrere Fasergebilde so angeordnet werden, dass sich erst nach der Innenhochdruckumformung zunächst eine Verpressung und durch das anschließende Benetzen des textilen Fasergebildes mit einem Matrixwerkstoff ein einheitliches Außenelement aus Faserverbundwerkstoff ergibt.
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Das Benetzen des textilen Fasergebildes mit einem Matrixwerkzeug erfolgt zumindest teilweise (und vorzugsweise vollständig) insbesondere mit Hilfe eines Über- oder Unterdrucks durch Hineinpumpen oder Einsaugen des Matrixwerkstoffs durch mindestens einen in dem Gehäusewerkzeug ausgebildeten Kanal. Dabei erfolgt das Benetzen bei Verwendung von Überdruck vorzugsweise während das für das im Hochdruckverfahren in das Innenelement eingebrachte Fluid noch in dem Innenelement angeordnet und mit Druck beaufschlagt ist. Dabei wird weiter bevorzugt für das Einbringen des Matrixwerkstoffes ein geringerer Druck verwendet als für das in dem Innenelement angeordnete Fluid. So kann sichergestellt werden, dass der mit Druck beaufschlagte Matrixwerkstoff keine Rückverformung des Hohlkörpers (nach innen) bewirkt, da der Hohlkörper von innen durch den Gegendruck des in diesem befindlichen Fluid „gestützt“ wird.
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In einer anderen praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die zusätzlich oder in Ergänzung zu dem vorstehend beschriebenen Hineinpumpen oder Einsaugen des Matrixwerkstoffs erfolgen kann, erfolgt das Benetzen des textilen Fasergebildes mit einem Matrixwerkstoff zumindest teilweise (und vorzugsweise vollständig) dadurch, dass der Matrixwerkstoff im Bereich der die Sollgeometrie vorgebenden Innenwände des Gehäusewerkzeugs angeordnet ist. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass der Matrixwerkstoff in einer oder mehreren Umhüllungen im Bereich der Innenwände des Gehäusewerkzeugs angeordnet ist und der Matrixwerkstoff durch Zerbersten der Umhüllung(en) erst während des Innenhochdruckumformens bei Überschreiten eines gewissen Drucks auf die Innenwände freigegeben wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Viskosität des Matrixwerkstoffes ein vorherigen Benetzen der Innenwände des Gehäusewerkzeugs schwerkraftbedingt insofern nicht zulässt, als dieser nach an den Innenwänden anhaftet, sondern nach unten abfließt.
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Wenn die Viskosität des Matrixwerkstoffes so gering ist, dass der Matrixwerkstoff nur leicht zähflüssig oder flüssig ist, kann es vorteilhaft sein, den Matrixwerkstoff in einem oder mehreren Reservoir nur an der Oberseite des Gehäusewerkzeuges derart anzuordnen, dass sich der Matrixwerkstoff nach dessen Freigabe schwerkraftbedingt über das gesamte Außenwerkzeug verteilt. Die Freigabe kann dabei wiederum insbesondere dadurch ausgelöst werden, dass ein gewisser Druck (beispielsweise der beim Innenhochdruckumformen verwendete Enddruck) überschritten wird. Alternativ oder in Ergänzung kann auch eine manuelle oder zeitgesteuerte Auslösung zur Freigabe des Matrixwerkstoffes vorgesehen sein.
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Es ist bekannt, dass Matrixwerkstoffe schneller und teilweise auch nur dann aushärten, wenn eine gewisse Temperatur überschritten wird. Um die Aushärtung zu beschleunigen bzw. zu bewirken, kann es insofern vorteilhaft sein, wenn das Gehäusewerkzeug beheizbar ausgebildet ist und zur Aushärtung des Matrixwerkstoffes beheizt wird. Dazu können in dem Gehäusewerkzeug beispielsweise Kanäle für ein Heizfluid, wie z.B. Öl, vorgesehen sein, wobei das Heizfluid in diesem Fall bedarfsweise durch die Kanäle geführt wird, um eine gewünschte Aushärttemperatur in dem Gehäusewerkzeug im Bereich des Matrixwerkstoffes zu erzielen.
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Alternativ oder in Ergänzung zu einer beheizbaren Ausbildung des Gehäusewerkzeuges kann auch das für das Innenhochdruckumformen verwendete Fluid zur mindestens teilweisen Erwärmung des Außenelements zwecks Aushärtung des Matrixwerkstoffes eingesetzt werden. Dazu kann entweder bereits beheiztes Fluid für das Innenhochdruckumformen verwendet werden oder eine spätere Erwärmung des für die in Innenhochdruckumformung eingesetzten Fluids erfolgen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, das textile Fasergebilde erst nach relativer Anordnung des Innenelements fertigzustellen. Damit ist gemeint, dass das textile Fasergebilde nicht zwangsläufig eine Öffnung aufweisen muss, um das Innenelement in dieses einzuführen. Es ist auch möglich, das textile Fasergebilde zunächst mit einer Öffnung herzustellen, anschließend das Innenelement in dieses einzubringen und das textile Fasergebilde dann durch weitere textile Verarbeitung zu einem geschlossenen Gebilde weiterzubilden, bevor im Anschluss daran die Innenhochdruckumformung und die Benetzung des Außenelements mit einem Matrixwerkstoff erfolgt. Bei dieser Ausführungsform weist das Außenelement eine besonders hohe Festigkeit auf.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 einen ersten Verfahrensschritt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 einen zweiten Verfahrensschritt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 einen dritten Verfahrensschritt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 einen vierten Verfahrensschritt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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5 einen fünften Verfahrensschritt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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6 einen sechsten Verfahrensschritt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In den 1–6 sind verschiedene Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Wie in 1 erkennbar ist, wird bei der gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein zweiteiliges Gehäusewerkzeug 10 mit einem oberen Gehäuseteil 12 und einem unteren Gehäuseteil 14 eingesetzt. In dem in 1 gezeigten ersten Verfahrensschritt sind der obere Gehäuseteil 12 und der untere Gehäuseteil 14 beabstandet angeordnet (geöffnetes Gehäusewerkzeug 10). In das Gehäusewerkzeug 10 ist ein textiles Fasergebilde 16 eingesetzt, in welchem ein Innenelement 18 angeordnet ist. Das in den 1–6 gezeigte Innenelement 18 besteht aus einem metallischen Werkstoff, nämlich aus Aluminium. Es weist an der rechten Seite eine Öffnung 20 auf, um ein Fluid (nicht gezeigt) zur Durchführung einer Innenhochdruckumformung einführen zu können.
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Es wird noch einmal darauf hingewiesen, dass als Werkstoff für das Innenelement 18 statt Aluminium auch jeder andere metallische oder nichtmetallische Werkstoff verwendet werden kann, der für das Innenhochdruckumformen geeignet ist.
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In 2 ist das Gehäusewerkzeug 10 in einem Zustand gezeigt, in welchem das obere Gehäuseteil 12 und das untere Gehäuseteil 14 zusammengefahren sind. Über eine Zuleitung 22 wird – wie durch die Pfeile 24 angedeutet – ein Fluid in den Innenraum des Innenelements 18 eingebracht, um dieses mittels Innenhochdruckumformung aufzuweiten. Dieser Vorgang wird, wie in den 3 und 4 gezeigt, fortgesetzt, bis das Innenelement 18 das Fasergebilde 16 an die durch die Innenwand 26 des Gehäusewerkzeuges 10 vorgegebene Sollgeometrie anpresst. Dabei kann die von dem Innenelement 18 verdrängte Luft gemäß den Pfeilen 28a, 28b durch in dem Gehäusewerkzeug 10 ausgebildete Kanäle 30a, 30b entweichen. Zusätzlich kann restliche, noch in dem Gehäusewerkzeug 10 verbleibende Luft per Unterdruck aus dem Gehäusewerkzeug 10 abgesaugt werden.
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In einem nächsten Verfahrensschritt wird gemäß dem Pfeil 32 in 4 ein Matrixwerkstoff (nicht gezeigt) durch den Kanal 30a in das Gehäusewerkzeug 10 eingebracht. Dieser strömt anschließend gemäß den Pfeilen 34 so zwischen der Innenwand 26 und dem Innenelement 18 derart durch das Gehäusewerkzeug 10, dass das Fasergebilde 16 vollständig von dem Matrixwerkstoff benetzt wird. Schließlich fließt der Matrixwerkstoff durch den Kanal 30b in Richtung des Pfeils 36 bis zu einem nicht dargestellten Dichtelement. Je nach Viskosität des Matrixwerkstoffes bedarf es keiner zusätzlichen technischen Mittel, um das Fasergebilde 16 in dem Gehäusewerkzeug 10 vollständig zu benetzen, indem der Matrixwerkstoff gemäß den Pfeil 32 in den Kanal 30a eingefüllt wird. Ist die Viskosität des Matrixwerkstoffes so hoch, dass dieser nicht selbständig das textile Fasergebilde 18 vollständig benetzt, kann zur Sicherstellung einer vollständigen Benetzung des Fasergebildes 16 der Matrixwerkstoff auch mittels eines Über- oder Unterdrucks in das Gehäusewerkzeug 10 eingebracht werden.
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In 5 ist schematisch gezeigt, dass der Aushärtvorgang des Matrixwerkstoffes (nicht dargestellt) dadurch erfolgen kann, dass durch nicht dargestellte in dem Gehäusewerkzeug 10 ausgebildete Heizkanäle ein Heizmedium zugeführt wird, um das obere Gehäuseteil 12 und/oder das untere Gehäuseteil 14 zu erhitzen. Dies ist durch die Pfeile 38 angedeutet. Alternativ oder in Ergänzung dazu kann das für die Innenhochdruckumformung verwendete Fluid (nicht dargestellt) beheizt oder bereits auf Temperatur gebracht in das Innenelement 18 eingebracht werden. Dies ist durch das mit 40 gekennzeichnete Symbol angedeutet.
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Durch Aushärtung des Matrixwerkstoffs vereinen sich das textile Flächengebilde 16 und der Matrixwerkstoff zu einem Außenelement 44 aus Faserverbundwerkstoff mit einem passgenau eingesetzten Innenelement 18. Sobald der Matrixwerkstoff (nicht dargestellt) ausgehärtet ist, ist das Außenelement 44 formstabil und weist eine hohe Steifigkeit auf. Dann können das obere Gehäuseteil 12 und das untere Gehäuseteil 14 wie in 6 gezeigt auseinander gefahren werden, um den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Hohlkörper 42 bestehend aus dem Außenelement 16 und dem fest damit verbundenen Innenelement 18 aus dem Gehäusewerkzeug 10 zu entnehmen. Die Temperatur zum Aushärten des Matrixwerkstoffs beträgt vorzugsweise 40–140°C, weiter bevorzugt 60–120°C und besonders bevorzugt ca. 80–100°C.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäusewerkzeug
- 12
- oberes Gehäuseteil
- 14
- unteres Gehäuseteil
- 16
- Fasergebilde
- 18
- Innenelement
- 20
- Öffnung
- 22
- Zuleitung
- 24
- Pfeil
- 26
- Innenwand
- 28a, 28b
- Pfeil
- 30a, 30b
- Kanal
- 32
- Pfeil
- 34
- Pfeil
- 36
- Pfeil
- 38
- Pfeil
- 40
- Symbol
- 42
- Hohlkörper
- 44
- Außenelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19930347 A1 [0002]
- DE 102008009723 A1 [0003]
- DE 102012002996 A1 [0004]
- DE 10156377 A1 [0005]
