DE102017200302A1 - Verfahren zur Herstellung eines Drucktanks sowie ein entsprechender Drucktank - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren (300) zur Herstellung eines Drucktanks (110) mit zumindest einer Wand (201) beschrieben, wobei die Wand (201) Fasern (211, 212) in mehreren unterschiedlichen Lagen umfasst und wobei die Fasern (211, 212) in den unterschiedlichen Lagen unterschiedlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Das Verfahren (300) umfasst das Ermitteln (301) einer Mehrzahl von Eigenschaftswerten zumindest einer mechanischen Eigenschaft bezüglich einer entsprechenden Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten. Außerdem umfasst das Verfahren (300) das Zuordnen (302) der Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten zu den unterschiedlichen Lagen, in Abhängigkeit von der Mehrzahl von Eigenschaftswerten und in Abhängigkeit von den unterschiedlichen mechanischen Belastungen der unterschiedlichen Lagen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Drucktanks aus Fasern sowie einen Drucktank aus Fasern, insbesondere zur Aufnahme eines Kraftstoffs für ein Fahrzeug.
  • Ein Straßenkraftfahrzeug kann eine Brennstoffzelle aufweisen, die auf Basis eines Kraftstoffs wie z.B. Wasserstoff elektrische Energie für den Betrieb, insbesondere für den Antrieb, des Fahrzeugs generiert. Der Kraftstoff kann in einem oder mehreren Drucktanks des Fahrzeugs gespeichert werden, wobei ein Drucktank Wände aufweist, die einen Hohlraum zur Aufnahme des Kraftstoffs umschließen.
  • Ein gefüllter Drucktank ist den Druckkräften des im Drucktank enthaltenen Kraftstoffs ausgesetzt und wird typischerweise für einen bestimmten Nenndruck ausgelegt. Beispielsweise kann ein Drucktank ausgelegt sein, um dauerhaft Kraftstoff bei einem Druck von 350, 500, 700 barü oder mehr zu speichern (barü steht dabei für „bar“ Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck bzw. Umgebungsdruck). Die Wände eines Drucktanks müssen daher für den jeweiligen Nenndruck ausgelegt werden. So muss beispielsweise ein Drucktank für einen Mindestberstdruck ausgelegt werden, der ein Vielfaches des Nenndrucks beträgt. Die gängigen Zulassungsvorschriften fordern beispielsweise für Wasserstoffbehälter mit Carbonfaser-Armierung einen Sicherheitsfaktor von 2,25 um den der Mindestberstdruck den Nenndruck übersteigen muss.
  • Die Belastung der Fasern eines Drucktanks bzw. Behälters, insbesondere die Zugbelastung und/oder Dehnung, sind typischerweise ungleichmäßig auf die Faserbündel bzw. Fasern verteilt. Insbesondere ist die Belastung einer Faser bzw. eines Faserbündels abhängig von der Lage der Faser bzw. des Faserbündels, also von der Position und/oder dem Verlauf der Faser bzw. des Faserbündels, in der Wand eines Drucktanks bzw. Behälters. Der Begriff „Lage“ (im weiteren Sinn) beschreibt somit in diesem Dokument allgemein die Position und/oder den Verlauf einer Faser bzw. eines Faserbündels innerhalb der Wand eines Drucktanks bzw. Behälters. Alternative Begriffe zu dem Begriff „Lage“ (im weiteren Sinn) sind eine Ablageposition oder eine Belastungsposition einer Faser bzw. eines Faserbündels.
  • Die Wand eines Drucktanks bzw. Behälters umfasst typischerweise mehrere Schichten bzw. „Lagen“ (im engeren Sinn) von Fasern, die übereinander angeordnet sind. Die Lage (im weiteren Sinn) einer Faser bzw. eines Faserbündels kann somit durch die Schicht bzw. die Lage (im engeren Sinn) einer Faser bzw. eines Faserbündels innerhalb der Wand eines Drucktanks bzw. Behälters beschrieben werden. Mit anderen Worten, der Betriff „Lage“ (im weiteren Sinn) einer Faser oder eines Faserbündels umfasst die Schicht bzw. die „Lage“ (im engeren Sinn) eines Wand eines Drucktanks bzw. Behälters, in der sich die Faser oder das Faserbündel befindet.
  • Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein Verfahren zur kosteneffizienten Herstellung eines Drucktanks für bestimmte Druckbedingungen bereitzustellen. Des Weiteren befasst sich das vorliegende Dokument mit der technischen Aufgabe, einen kosteneffizienten Drucktank bereitzustellen, der für bestimmte Druckbedingungen, insbesondere für einen bestimmten Mindestbestdruck, ausgelegt ist.
  • Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Drucktanks bzw. eines Behälters mit zumindest einer Wand beschrieben. Die Wand weist mehrere Lagen mit Fasern (insbesondere Carbonfasern) auf. Dabei sind die Fasern einer Lage typischerweise in eine Matrix bzw. in Matrixmaterial (z.B. ein Harz) eingebettet. Die unterschiedlichen Lagen sind bei Verwendung des Drucktanks bzw. Behälters unterschiedlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Mit anderen Worten, Fasern können an unterschiedlichen Lagen bzw. an unterschiedlichen Ablagepositionen unterschiedlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sein. Die mechanischen Belastungen auf die unterschiedlichen Lagen bzw. auf die Fasern in den unterschiedlichen Lagen können durch Versuche und/oder durch Simulationen ermittelt werden. Beispielsweise kann die Wand einen Mantel eines zumindest teilweise zylindrischen Drucktanks bzw. Behälters bilden. Die mechanische Belastung kann dann auf eine innenliegende Lage (d.h. auf die Fasern in einer innenliegenden Lage) höher sein als auf eine außenliegende Lage (d.h. als auf die Fasern in einer außenliegenden Lage). Insbesondere kann eine auf die Fasern einwirkende Zugspannung für unterschiedliche Lagen bzw. Ablagepositionen unterschiedlich sein.
  • Das Verfahren umfasst das Ermitteln, insbesondere das Messen, einer Mehrzahl von Eigenschaftswerten zumindest einer mechanischen Eigenschaft bezüglich einer entsprechenden Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten. Die Fasern für die unterschiedlichen Lagen können durch unterschiedliche Faser-aufweisende Objekte bereitgestellt werden. Beispielhafte Faser-aufweisende Objekte sind dabei eine Faser-Spule mit ein oder mehreren Fasern; ein Gebinde mit Faser-Spulen und/oder eine Liefer-Charge oder eine Herstellungs-Charge mit Faser-Spulen. Ein Faser-aufweisendes Objekt kann dabei derart sein, dass die Varianz des Eigenschaftswertes der zumindest einen mechanischen Eigenschaft innerhalb des Faser-aufweisenden Objektes substantiell kleiner ist (z.B. um den Faktor 2, 5, 10 oder mehr) als die Varianz des Eigenschaftswertes der zumindest einen mechanischen Eigenschaft von unterschiedlichen Faser-aufweisenden Objekten.
  • Die zumindest eine mechanische Eigenschaft kann eine Eigenschaft der Faser eines Faser-aufweisenden Objektes oder eine Eigenschaft einer Komponente sein, die aus Fasern eines Faser-aufweisenden Objektes für die Verwendung in der Wand des Drucktanks bzw. Behälters hergestellt wurde. Beispielhafte Komponenten sind: ein Faserstrang bzw. Faserbündel; eine Einzelschicht bzw. Einzellage und/oder ein Laminat mit mehreren Schichten bzw. Lagen.
  • Die zumindest eine mechanische Eigenschaft bezüglich eines Faser-aufweisenden Objektes kann somit umfassen: zumindest eine mechanische Eigenschaft einer Faser des Faser-aufweisenden Objektes; zumindest eine mechanische Eigenschaft eines trockenen und/oder eines mit einem Matrixmaterial imprägnierten Faserstrangs aus Fasern des Faser-aufweisenden Objektes; und/oder zumindest eine mechanische Eigenschaft einer mit einem Matrixmaterial imprägnierten Einzelschicht und/oder eines mit einem Matrixmaterial imprägnierten Laminats aus Fasern des Faser-aufweisenden Objektes.
  • Die zumindest eine mechanische Eigenschaft kann umfassen: eine Festigkeit, insbesondere Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und/oder Biegefestigkeit, einer Faser, eines Faserstrangs und/oder einer Schicht bzw. Lage; ein Elastizitätsmodul einer Faser bzw. eines Faserstrangs; eine Bruchdehnung einer Faser bzw. eines Faserstrangs; und/oder eine Biegesteifigkeit einer Schicht bzw. Lage.
  • Der Eigenschaftswert einer mechanischen Eigenschaft eines Faser-aufweisenden Objektes kann durch eine Messung des Eigenschaftswerts der mechanischen Eigenschaft einer Probe aus dem Faser-aufweisenden Objekt und/oder einer aus dem Faser-aufweisenden Objekt hergestellten Komponente ermittelt werden. Mit anderen Worten, der Eigenschaftswert einer mechanischen Eigenschaft eines Faser-aufweisenden Objektes kann durch eine konkrete Messung an zumindest einer Faser aus dem Faser-aufweisenden Objekt ermittelt werden.
  • Im Rahmen der Ermittlung eines Eigenschaftswertes kann ermittelt werden, ob ein überdurchschnittlicher oder ein unterdurchschnittlicher Eigenschaftswert (z.B. relativ zu einem Nennwert) vorliegt. Ein überdurchschnittlicher Eigenschaftswert kann dabei anzeigen, dass Fasern aus dem Faser-aufweisenden Objekt für eine Lage mit relativ hoher mechanischer Belastung verwendet werden können. Andererseits kann ein unterdurchschnittlicher Eigenschaftswert anzeigen, dass Fasern aus dem Faser-aufweisenden Objekt für eine Lage mit relativ niedriger mechanischer Belastung verwendet werden sollten.
  • Außerdem umfasst das Verfahren das Zuordnen der Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten zu den unterschiedlichen Lagen bzw. Ablagepositionen. Das Zuordnen erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Mehrzahl von Eigenschaftswerten (z.B. in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit) und in Abhängigkeit von den unterschiedlichen mechanischen Belastungen der unterschiedlichen Lagen bzw. Ablagepositionen (z.B. in Abhängigkeit von den Zugspannungen).
  • Insbesondere kann das Zuordnen derart erfolgen, dass ein Faser-aufweisendes Objekt einer Lage mit einer relativ hohen mechanischen Belastung zugeordnet wird, wenn der Eigenschaftswert der zumindest einen mechanischen Eigenschaft bezüglich des Faser-aufweisenden Objekts anzeigt, dass das Faser-aufweisende Objekt für eine relativ hohe mechanische Belastung geeignet ist (z.B. wenn ein überdurchschnittlicher Eigenschaftswert vorliegt). Andererseits kann das Zuordnen derart erfolgen, dass ein Faser-aufweisendes Objekt einer Lage mit einer relativ niedrigen mechanischen Belastung zugeordnet wird, wenn der Eigenschaftswert der zumindest einen mechanischen Eigenschaft bezüglich des Faser-aufweisenden Objekts anzeigt, dass das Faser-aufweisende Objekt nur für eine relativ niedrige mechanische Belastung geeignet ist (z.B. wenn ein unterdurchschnittlicher Eigenschaftswert vorliegt).
  • Es können somit für die unterschiedlichen Lagen Fasern aus unterschiedlichen Faser-aufweisenden Objekten ausgewählt werden, um den unterschiedlichen mechanischen Belastungen der unterschiedlichen Lagen Rechnung zu tragen. So kann die Wandstärke von Drucktanks bzw. Behältern reduziert werden, wodurch wiederum die Kosten eines Drucktanks bzw. Behälters reduziert und die Kapazität des Drucktanks bzw. Behälters (bei unverändertem Bauraum) erhöht werden können.
  • Die Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten kann einen einheitlichen Nennwert für die zumindest eine mechanische Eigenschaft aufweisen. Insbesondere können die Fasern der Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten einen einheitlichen Nennwert aufweisen (z.B. in Bezug auf die Zugfestigkeit). Andererseits kann die Mehrzahl von Eigenschaftswerten für die entsprechende Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten eine bestimmte Varianz größer Null aufweisen. Diese Varianz kann ausgenutzt werden, um die Fasern aus den unterschiedlichen Faser-aufweisenden Objekten unterschiedlichen Lagen zuzuordnen.
  • Alternativ oder ergänzend kann die Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten einen gleichen Typ von Fasern umfassen (z.B. Fasern mit der gleichen Hersteller-Bezeichnung). Mit anderen Worten, die unterschiedlichen Faser-aufweisenden Objekte können den gleichen Typ von Fasern bereitstellen. Dabei kann ein Typ von Fasern einen bestimmten Nennwert in Bezug auf eine bestimmte mechanische Eigenschaft aufweisen.
  • Die unterschiedlichen Lagen der Wand eines Drucktanks bzw. Behälters können somit aus Fasern des gleichen Typs hergestellt werden (z.B. aus Fasern mit einer einheitlichen Hersteller-Bezeichnung). Es kann jedoch die Varianz in Bezug auf ein oder mehrere mechanische Eigenschaften der Fasern ausgenutzt werden, um die Fasern des gleichen Typs unterschiedlichen Lagen zuzuordnen. Insbesondere können Fasern mit überdurchschnittlichen Eigenschaften einer Lage mit relativ hoher Belastung und Fasern mit unterdurchschnittlichen Eigenschaften einer Lage mit relativ niedriger Belastung zugewiesen werden. So können Drucktanks bzw. Behälter mit reduzierter Wandstärke und/oder erhöhtem Fassungsvermögen (bei unverändertem Bauraum) bereitgestellt werden.
  • Das Ermitteln, insbesondere das Messen, eines Eigenschaftswertes zumindest einer mechanischen Eigenschaft bezüglich eines Faser-aufweisenden Objektes kann umfassen, das Entnehmen einer Probe des Faser-aufweisenden Objektes oder einer aus dem Faser-aufweisenden Objekt hergestellten Komponente für den Drucktank bzw. für den Behälter. Beispielsweise kann eine bestimmte Testlänge einer Faser als Probe entnommen werden. Es kann dann der Eigenschaftswert der zumindest einen mechanischen Eigenschaft der Probe ermittelt bzw. gemessen werden (und als Eigenschaftswert für das gesamte Faser-aufweisende Objekt verwendet werden). Beispielsweise kann einer Festigkeits-Messung der Probe erfolgen, um einen Wert der Festigkeit der Probe zu ermitteln. So können die Eigenschaftswerte für die unterschiedlichen Faser-aufweisenden Objekte in effizienter und zuverlässiger Weise ermittelt werden.
  • Das Ermitteln eines Eigenschaftswertes zumindest einer mechanischen Eigenschaft bezüglich eines Faser-aufweisenden Objektes und/oder das Zuordnen zu den unterschiedlichen Lagen können zumindest teilweise automatisiert erfolgen. Durch die Automatisierung zumindest einiger Schritte bzw. Teilschritte des beschriebenen Verfahrens können die Kosten bzw. die Wiederholbarkeit der Herstellung eines Drucktanks reduziert bzw. erhöht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Drucktank oder Behälter mit zumindest einer Wand beschrieben, die einen Hohlraum zur Aufnahme eines Mediums (z.B. eines Kraftstoffs) bildet. Die Wand weist dabei mehrere unterschiedliche Lagen mit Fasern auf, wobei die unterschiedlichen Lagen (im Betrieb, also unter Behälterinnendruck) unterschiedlichen mechanischen Belastungen (insbesondere Zugspannungen) ausgesetzt sind. Die unterschiedlichen Lagen weisen entsprechend der unterschiedlichen mechanischen Belastungen Fasern aus unterschiedlichen Faser-aufweisenden Objekten mit unterschiedlichen Eigenschaftswerten zumindest einer mechanischen Eigenschaft auf. So können kosteneffiziente Drucktanks oder Behälter mit relativ hohem Fassungsvermögen (bei vorgegebenem Bauraum) bereitgestellt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenkraftfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen) beschrieben, das den in diesem Dokument beschriebenen Drucktank oder Behälter umfasst.
  • Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
    • 1 eine beispielhafte Drucktank-Anordnung;
    • 2 einen beispielhaften Querschnitt eines Drucktanks; und
    • 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines Drucktanks.
  • Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der kosteneffizienten Herstellung eines Drucktanks für bestimmte Druckbedingungen. Insbesondere befasst sich das vorliegende Dokument mit einem Druckbehältersystem (en: compressed hydrogen storage system (=CHS-System)) für ein Kraftfahrzeug. Das Druckbehältersystem dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Kraftstoff bzw. Brennstoff. Das Druckbehältersystem kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird.
  • Ein solches Druckbehältersystem umfasst mindestens einen Druckbehälter. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein.
  • Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Drucktank-Anordnung 100 mit einem ersten Drucktank 110 und einem zweiten Drucktank 120, die dazu verwendet werden können, Kraftstoff (insbesondere Wasserstoff) für einen Kraftstoff-Verbraucher (z.B. eine Brennstoffzelle) 101 eines Fahrzeugs bereitzustellen. Die Drucktanks 110, 120 sind über Leitungen 112, 122 mit dem Kraftstoff-Verbraucher 101 verbunden.
  • Die Drucktanks 110, 120 können an den Stirnseiten Endstücke 111, 114 bzw. 121, 124 aufweisen, die bei der Herstellung der Drucktanks 110, 120 zum Halten der Drucktanks 110, 120 verwendet werden können. Des Weiteren kann an den Endstücken 111, 121 eine Öffnung bereitgestellt werden, durch die Kraftstoff aus einem Drucktank 110, 120 geführt werden kann (z.B. über ein Ventil zu einer Leitung 112, 122). An einer Öffnung eines Drucktanks 110, 120 kann auch eine Druckentlastungsvorrichtung 113, 123 angeordnet werden, die bei Vorliegen einer bestimmten Auslösebedingung (z.B. bei Vorliegen einer bestimmten Temperatur) auslösen kann, um Kraftstoff aus dem Drucktank 110, 120 in die Umgebung des Drucktanks 110, 120 abzulassen, und um so den Druck in dem Drucktank 110, 120 zu reduzieren.
  • Ein Drucktank 110, 120 (auch als Druckbehälter bezeichnet) kann einen Liner umfassen. Der Liner bildet den Hohlkörper aus, in dem der Brennstoff gespeichert ist. Der Liner kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus deren Legierungen hergestellt sein. Ferner bevorzugt kann der Liner aus einem Kunststoff hergestellt sein. Es kann ebenso auch ein linerloser Druckbehälter 110, 120 vorgesehen sein.
  • Ein Druckbehälter 110, 120 umfasst typischerweise mindestens eine faserverstärkte Schicht. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise bevorzugt vollständig umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. In diesem Dokument wird meistens der Begriff „faserverstärkte Schicht“ oder „Schicht(en) mit Fasern“ verwendet. Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe (auch FVK bzw. FKV abgekürzt) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Eine faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern. Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Bevorzugt werden Endlosfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt, die durch Wickeln und/oder Flechten aufgebracht werden können. Eine faserverstärkte Schicht weist i.d.R. mehrere Schichtlagen bzw. mehrere (Teil-)Schichten auf.
  • Die faserverstärkte Schicht weist typischerweise Kreuz- und Umfangslagen auf. Um axiale Spannungen zu kompensieren, werden über die gesamte Wickelkernoberfläche Kreuzlagen (engl. helical layers) gewickelt bzw. geflochten. Im i.d.R. zylindrischen Umfangsbereich sind meist sogenannte Umfangslagen (engl. „hoop layers“) vorgesehen, die für eine Verstärkung in Umfangsrichtung sorgen. Die Umfangslagen verlaufen in Umfangsrichtung U des Druckbehälters und sind in einem Winkel von ca. 90° (+/- 5°) zur Druckbehälterlängsachse A-A (Achse 207 in 2) orientiert.
  • Vorteilhaft können mindestens zwei Lagen der faserverstärkten Schicht in einem ausgeglichenen Winkelverbund (AWV, engl. „Balanced Ply Laminate“) angeordnet sein. Ein ausgeglichener Winkelverbund kann als ein Verbund aus zwei unidirektionalen Lagen beschrieben werden, wobei neben dem Gelege auch bspw. Gewebe und gewickelte Kreuzlagen dafür infrage kommen. Die Verstärkungsfasern dieser unidirektionalen Lagen weisen Faserwinkel zur Gewebenormale bzw. Längsachse A-A (Achse 207 in 2) auf, die einen gleichen Betrag aber unterschiedliche Vorzeichen haben.
  • 2 zeigt einen Querschnitt eines Drucktanks 110. Der Drucktank 110 umfasst in dem dargestellten Bereich eine kreisförmige Wand 201 mit einer bestimmten Wandstärke 206. Der in dem Drucktank 110 befindliche Kraftstoff weist einen bestimmten Druck auf, durch den Spannungen σ 203 (d.h. mechanische Belastungen) in Umfangsrichtung innerhalb der Wand 201 verursacht werden. Die Spannungen σ 203 in Umfangsrichtung nehmen dabei typischerweise von innen nach außen, d.h. mit zunehmenden radialen Abstand 202 von einer Zentralachse 207 des Drucktanks 110 ab. 2 zeigt einen beispielhaften Spannungsverlauf 205 der Umfangsspannungen in radialer Richtung durch den Querschnitt der Wand 201 des Drucktanks 110.
  • Ein Drucktank 110 weist ein bestimmtes Volumen auf und ist typischerweise für einen Berstdruck pmax ausgelegt. Des Weiteren kann das Material der Wand 201 für eine bestimmte Maximalspannung σmax ausgelegt sein. Aus dem geforderten Berstdruck, der Maximalspannung und aus der Oberfläche bzw. Querschnittsfläche A der Wand 201 kann dann eine erforderliche Wandstärke 206 der Wand 201 ermittelt werden. Beispielsweise kann für einen zylinderförmigen Tank die erforderliche Wandstärke 206 näherungsweise nach der Kesselformel als smin=pmax*rm/σmittel berechnet werden, wobei rm dem durchschnittlichen Radius des Tanks und σmittel der durchschnittlichen (Tangential-)Spannung in der Tankwand 201 entspricht. Wie sich aus dem Spannungsverlauf 205 in 2 ergibt, liegt die Maximalspannung σmax dabei nur an der Innenseite der Wand 201 vor, während das Material an der Außenseite der Wand 201 einer geringeren Spannung σ 203 ausgesetzt ist, so dass für die Tangentialspannung typischerweise gilt: σmittel < σmax.
  • Die Wand 201 eines Drucktanks 110 kann aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sein. Der Faserverbundstoff weist dabei Fasern 211, 212, z.B. aus Carbon bzw. Kohlenstoff, auf, die in einer Matrix 213, z.B. aus einem Kunststoffmaterial etwa einem Kunstharz, angeordnet sind. Die Fasern 211, 212 können, wie in 2 beispielhaft dargestellt, in unterschiedlichen Richtungen innerhalb der Wand 201 verlaufen. In 2 sind Fasern 211 dargestellt, die entlang einer Richtung senkrecht zu der Bildebene verlaufen, und Fasern 212 dargestellt, die innerhalb der Bildebene verlaufen.
  • Die Kräfte an der Innenseite der Wand 201 bewirken Spannungen in den Fasern 211, 212. Insbesondere bewirken Axialspannungen (also in Längsrichtung des Tanks 110) Spannungen in der jeweiligen Längsrichtung der Fasern 211 und Tangentialspannungen (also in Umfangsrichtung des Tanks) Spannungen in der jeweiligen Längsrichtung der Fasern 212. Wie oben dargelegt, nehmen dabei die Längsspannungen auf die Fasern 212 typischerweise mit steigendem radialem Abstand 202 zur Zentralachse 207 ab.
  • Die Fasern 211, 212 für die unterschiedlichen Lagen eines Drucktanks 110 können mechanische Eigenschaften mit einem bestimmten Nennwert aufweisen. Beispielhafte mechanische Eigenschaften sind die Festigkeit, insbesondere die Zugfestigkeit (längs zur Faser 211, 212), das Elastizitätsmodul und/oder die Bruchdehnung. Dabei weisen die Fasern 211, 212 typischerweise eine bestimmte Varianz in Bezug auf den Nennwert einer mechanischen Eigenschaft auf. Die Varianz kann verwendet werden, um die Fasern 211, 212 unterschiedlichen Lagen des Drucktanks 110 zuzuweisen. Dabei können Fasern 211, 212 mit einem Eigenschaftswert einer mechanischen Eigenschaft (insbesondere der Zugfestigkeit), der über dem Nennwert liegt, in einer inneren Schicht verwendet werden, die relativ nah an der Zentralachse 207 angeordnet ist. Andererseits können Fasern 211, 212 mit einem Eigenschaftswert der mechanischen Eigenschaft, der unter dem Nennwert liegt, in einer äußeren Schicht verwendet werden, die relativ weit weg von der Zentralachse 207 angeordnet ist.
  • Die Varianz der mechanischen Eigenschaften des Fasermaterials für einen Drucktank 110 kann somit genutzt werden, um Fasern 211, 212 mit besonders guten mechanischen Eigenschaften für die Herstellung der Lagen zu verwenden, die besonders hoch beansprucht werden. Fasern 211, 212 mit demgegenüber schlechteren mechanischen Eigenschaften können (sofern sie nicht so schlecht sind, dass sie zurückgewiesen werden müssen) für die Herstellung der Lagen verwendet werden, die vergleichsweise geringer beansprucht werden.
  • Die mechanischen Eigenschaften können die mechanischen Eigenschaften der folgenden Komponenten eines Drucktanks 110 sein: einer einzelnen (trockenen) Faser; eines trockenen Faserstrangs; eines mit einem Matrixmaterial (z.B. Harz) imprägnierten Faserstrangs; einer mit dem Matrixmaterial imprägnierten Einzelschicht; und/oder ein mit dem Matrixmaterial imprägniertes Laminat, das durch Wickeln, Flechten oder Legen von Fasersträngen entstanden ist.
  • Auf Faser- oder Faserstrang-Ebene können die mechanischen Eigenschaften insbesondere sein: Festigkeit, insbesondere Zugfestigkeit (längs zur Faser); Elastizitätsmodul und/oder Bruchdehnung. Auf Schicht- oder Laminat-Ebene können die mechanischen Eigenschaften insbesondere sein: Druckfestigkeit; Biegefestigkeit; Biegesteifigkeit; interlaminare Scherfestigkeit; und/oder Zugfestigkeit längs in Faserrichtung (faserdominiert) und quer zur Faserrichtung (d.h. matrixdominiert).
  • Die Eigenschaftswerte der ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften können im Rahmen einer Untersuchung zeitlich und räumlich nahe an der Verwendung des Materials zur Herstellung eines Drucktanks 110 ermittelt werden. Die Untersuchung der ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften kann dabei jeweils für eine Liefer-Charge oder auf Gebinde-Ebene erfolgen, beispielsweise je Palette, je Karton oder je Spule. Die Ebene für die Untersuchung der ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften wird in diesem Dokument als Objekt-Ebene bezeichnet. Mit anderen Worten, es wird ein Eigenschaftswert zumindest einer mechanischen Eigenschaft für ein Faser-aufweisendes Objekt bestimmt.
  • Bevorzugt findet die Untersuchung der ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften auf der höchsten Objekt-Ebene statt, auf der eine relativ große Interobjekt-Variation aber eine relativ kleine Intraobjekt-Variation vorliegt. Wenn beispielsweise die Variation bzw. Varianz der ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften zwischen einzelnen Faser-Spulen relativ groß ist, aber innerhalb einer einzelnen Faser-Spule relativ klein ist, dann bietet sich als Objekt-Ebene eine Faser-Spule an. Wenn dagegen beispielsweise die Variation der mechanischen Eigenschaften zwischen einzelnen Faser-Spulen relativ klein ist, solange die Faser-Spulen aus der gleichen Charge stammen, und wenn andererseits nennenswerte Varianzen bei Faser-Spulen unterschiedlicher Chargen vorliegen, dann können unterschiedliche Chargen als Objekt-Ebene verwendet werden.
  • Die Untersuchung der ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften kann teil- oder vollautomatisiert erfolgen, so dass beispielsweise die folgenden Schritte automatisiert ablaufen können: Probenauswahl; Probenentnahme; Probenbeschnitt; Probenvorbereitung; eventuell Einharzen einer Faser; eventuell Zusammenfügen einer Schicht bzw. Lage; Probeneinspannen; Applikation der Messtechnik (z.B. eines Dehnungsaufnehmers); eventuell optische Vermessung; Durchführung der Messung; Auswertung der Messung; Entnahme der Probe; und/oder Archivierung oder Entsorgung der Messprobe.
  • Ggf. kann eine Wiederholung von Untersuchungen sinnvoll sein. Zum einen kann so sichergestellt und überprüft werden, ob die Intraobjekt-Varianz tatsächlich klein ist (und somit aus der Messung der ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften einer Probe auf die mechanischen Eigenschaften des gesamten Faser-aufweisenden Objekts (z.B. der gesamten Faser-Spule bzw. der gesamten Charge) geschlossen werden kann. Zum anderen können die bei den Untersuchungen gewonnenen Daten für eine Messsystemanalyse (=MSA, auch Messmittel-Fähigkeitsanalyse genannt) verwendet werden.
  • Wenn die Eigenschaftswerte der ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften des Fasermaterials auf Objekt-Ebene bekannt sind, so kann dieses Wissen, ggf. zusammen mit den eventuellen Unterschieden der Eigenschaftswerte der ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften zu den generischen Nennwerten aus einem Datenblatt des Fasermaterials, genutzt werden, um eine Sortierung der Faser-aufweisenden Objekte nach ihren mechanischen Eigenschaften durchzuführen. Bevorzugt kann diese Sortierung automatisch erfolgen. Dazu kann beispielsweise ein automatisches Lagersystem, eine automatisierte Logistik und/oder eine automatische Spulenzuführung für die Fertigung eines Drucktanks 110 verwendet werden.
  • Aus der Auslegung oder aus der Entwicklung der Drucktanks 110 kann durch Simulation und/oder Messung der Beanspruchungszustand der einzelnen Lagen bzw. Schichten ermittelt werden. Beispielsweise kann eine Finite-Elemente-Methode zur Ermittlung des Spannungszustands der Fasern in den einzelnen Lagen (z.B. bei unterschiedlichen Innendrücken eines Drucktanks 110) genutzt werden. Alternativ oder ergänzend können Dehnungssensoren (z.B. Dehnungsmessstreifen und/oder Faser-Bragg-Gitter-Sensoren) in einem Drucktank 110 zur Messung von Dehnungszuständen der einzelnen Lagen bzw. Schichten verwendet werden. Höher belastete Lagen bzw. Schichten können beispielsweise die inneren Umfangslagen sein. Geringer belastete Lagen bzw. Schichten können beispielsweise die äußeren Umfangslagen oder Kreuzlagen sein. Somit können die relativen Beanspruchungszustände der einzelnen Lagen bzw. Schichten, d.h. die mechanischen Belastungen auf die Fasern der unterschiedlichen Lagen eines Drucktanks 110, ermittelt werden.
  • Zur Herstellung der einzelnen Lagen kann in Abhängigkeit des relativen Beanspruchungszustandes der einzelnen Lagen Fasermaterial von den Faser-aufweisenden Objekten mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften verwendet werden. Relativ hoch beanspruchte Lagen können mit Fasermaterial aus Objekten mit besonders guten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, während weniger beanspruchte Lagen mit Fasermaterial aus Objekten mit relativ schlechten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden.
  • Bevorzugt erfolgt die Zuführung des Fasermaterials aus den unterschiedlichen Objekten automatisiert. Dazu kann beispielsweise ein automatisches Lagersystem, eine automatisierte Logistik und/oder eine automatische Spulenzuführung verwendet werden.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Herstellung eines Drucktanks 110 mit zumindest einer Wand 201, die mehrere unterschiedliche Lagen bzw. Schichten mit Fasern 211, 212 umfasst. Dabei sind die unterschiedlichen Lagen unterschiedlichen mechanischen Belastungen (z.B. unterschiedlichen Zugspannungen) ausgesetzt. Das Verfahren 300 umfasst das Ermitteln 301, insbesondere das Messen, einer Mehrzahl von Eigenschaftswerten zumindest einer mechanischen Eigenschaft (z.B. der Zugfestigkeit) bezüglich einer entsprechenden Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten. Ein Faser-aufweisendes Objekt kann dabei z.B. einer Faser-Spule oder eine Charge von Faser-Spulen entsprechen. Die Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten kann dann einer Mehrzahl von Faser-Spulen oder einer Mehrzahl von Chargen entsprechen. Es kann dann für jede der Mehrzahl von Objekten ein Eigenschaftswert einer mechanischen Eigenschaft des jeweiligen Objektes oder einer mechanischen Eigenschaft einer aus den Fasern des jeweiligen Objektes hergestellten Komponente ermittelt werden. Der Eigenschaftswert kann dabei anhand einer konkreten Messung anhand einer Probe erfolgen.
  • Außerdem umfasst das Verfahren 300 das Zuordnen 302 der Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten zu den unterschiedlichen Lagen. Dabei erfolgt das Zuordnen 302 in Abhängigkeit von der Mehrzahl von Eigenschaftswerten und in Abhängigkeit von den unterschiedlichen mechanischen Belastungen der unterschiedlichen Lagen. Insbesondere kann ein Objekt mit einem Eigenschaftswert, der eine relativ geringe Belastbarkeit der Fasern des Objekts anzeigt, einer Lage mit einer relativ geringen mechanischen Belastung zugeordnet werden. Andererseits kann ein Objekt mit einem Eigenschaftswert, der eine relativ hohe Belastbarkeit der Fasern des Objekts anzeigt, einer Lage mit einer relativ hohen mechanischen Belastung zugeordnet werden.
  • Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen ermöglichen eine Verbesserung der Faser-Effizienz. Dadurch wird es ermöglicht, Behälter bzw. Drucktanks 110 mit einer reduzierten Wandstärke 206 bereitzustellen (für vorgegebene Druckbedingungen), die (durch den reduzierten Faser- und Harz-Einsatz) kostengünstiger und leichter sind und die gleichzeitig mehr Nutzvolumen bei gleichem Bauraum aufweisen.
  • Des Weiteren wird insbesondere durch eine Produktion mit einem hohen Automatisierungsgrad eine hohe Wiederholbarkeit bei der Herstellung von Drucktanks 110 ermöglicht. Dies wird auch dadurch ermöglicht, dass aufgrund der Messung von Eigenschaftswerten Fasermaterial entsprechend der jeweils gemessenen mechanischen Eigenschaften in den unterschiedlichen Lagen eines Drucktanks 110 verwendet wird. Eine hohe Wiederholbarkeit kann typischerweise nicht gewährleistet werden, wenn Fasermaterial, soweit es gewisse Mindestanforderung erfüllt, für alle Lagen eines Drucktanks 110 eingesetzt wird, unabhängig davon, ob das Fasermaterial über- oder unterdurchschnittliche mechanische Eigenschaften aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims (10)

  1. Verfahren (300) zur Herstellung eines Drucktanks (110) mit zumindest einer Wand (201), die Fasern (211, 212) in mehreren unterschiedlichen Lagen umfasst; wobei die Fasern (211, 212) in den unterschiedlichen Lagen unterschiedlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind; wobei das Verfahren (300) umfasst, - Ermitteln (301), insbesondere Messen, einer Mehrzahl von Eigenschaftswerten zumindest einer mechanischen Eigenschaft bezüglich einer entsprechenden Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten; und - Zuordnen (302) der Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten zu den unterschiedlichen Lagen, in Abhängigkeit von der Mehrzahl von Eigenschaftswerten und in Abhängigkeit von den unterschiedlichen mechanischen Belastungen in den unterschiedlichen Lagen.
  2. Verfahren (300) gemäß Anspruch 1, wobei - die Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten einen einheitlichen Nennwert für die zumindest eine mechanische Eigenschaft aufweist; und - die Mehrzahl von Eigenschaftswerten für die entsprechende Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten eine Varianz ungleich Null aufweist.
  3. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Mehrzahl von Faser-aufweisenden Objekten einen gleichen Typ von Fasern, insbesondere von Carbonfasern, umfasst; und/oder - ein Typ von Fasern einen bestimmten Nennwert in Bezug auf eine bestimmte mechanische Eigenschaft aufweist.
  4. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zuordnen (302) derart erfolgt, dass - ein Faser-aufweisendes Objekt einer Lage mit einer relativ hohen mechanischen Belastung zugeordnet wird, wenn der Eigenschaftswert der zumindest einen mechanischen Eigenschaft bezüglich des Faser-aufweisenden Objekts anzeigt, dass eine Faser des Faser-aufweisenden Objekts für eine relativ hohe mechanische Belastung geeignet ist; und/oder - ein Faser-aufweisendes Objekt einer Lage mit einer relativ niedrigen mechanischen Belastung zugeordnet wird, wenn der Eigenschaftswert der zumindest einen mechanischen Eigenschaft bezüglich des Faser-aufweisenden Objekts anzeigt, dass eine Faser des Faser-aufweisenden Objekts nur für eine relativ niedrige mechanische Belastung geeignet ist.
  5. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (301) eines Eigenschaftswertes zumindest einer mechanischen Eigenschaft bezüglich eines Faser-aufweisenden Objektes umfasst, - Entnehmen einer Probe des Faser-aufweisenden Objektes oder einer aus dem Faser-aufweisenden Objekt hergestellten Komponente für den Drucktank (110); und - Ermitteln, insbesondere Messen, des Eigenschaftswertes der zumindest einen mechanischen Eigenschaft der Probe und/oder Komponente.
  6. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln (301), insbesondere das Messen, eines Eigenschaftswertes zumindest einer mechanischen Eigenschaft bezüglich eines Faser-aufweisenden Objektes zumindest teilweise automatisiert erfolgt.
  7. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Faser-aufweisendes Objekt umfasst, - eine Faser-Spule mit ein oder mehreren Fasern; - ein Gebinde mit Faser-Spulen; und/oder - eine Liefer-Charge oder eine Herstellungs-Charge mit Faser-Spulen.
  8. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine mechanische Eigenschaft bezüglich eines Faser-aufweisenden Objektes umfasst, - zumindest eine mechanische Eigenschaft einer Faser des Faser-aufweisenden Objektes; - zumindest eine mechanische Eigenschaft eines trockenen und/oder mit einem Matrixmaterial imprägnierten Faserstrangs aus Fasern des Faser-aufweisenden Objektes; und/oder - zumindest eine mechanische Eigenschaft einer mit einem Matrixmaterial imprägnierten Einzelschicht und/oder eines mit einem Matrixmaterial imprägnierten Laminats aus Fasern des Faser-aufweisenden Objektes.
  9. Verfahren (300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine mechanische Eigenschaft umfasst, - eine Festigkeit, insbesondere Zugfestigkeit, Druckfestigkeit und/oder Biegefestigkeit; - ein Elastizitätsmodul; - eine Bruchdehnung; und/oder - eine Biegesteifigkeit.
  10. Drucktank (110) mit zumindest einer Wand (201), die einen Hohlraum zur Aufnahme eines Mediums bildet; wobei - die Wand (201) Fasern (211, 212) in mehreren unterschiedlichen Lagen umfasst; - die Fasern (211, 212) in den unterschiedlichen Lagen unterschiedlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind; und - die unterschiedlichen Lagen entsprechend der unterschiedlichen mechanischen Belastungen Fasern aus unterschiedlichen Faser-aufweisenden Objekten mit unterschiedlichen Eigenschaftswerten zumindest einer mechanischen Eigenschaft aufweisen.
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DE102005053245A1 (de) * 2004-11-09 2006-05-24 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki, Kariya Druckbehälter, Wasserstoffspeichertank und Verfahren zum Herstellen des Druckbehälters

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