DE102017207156A1 - Method for producing a pressure vessel - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Druckbehälters beschrieben. Das Verfahren umfasst das Ermitteln von Eigenschafts-Daten bezüglich zumindest einer mechanischen Eigenschaft des teilweise gefertigten Druckbehälters. Außerdem umfasst das Verfahren das Anpassen der weiteren Herstellung des Druckbehälters in Abhängigkeit von den Eigenschafts-Daten. A process for producing a fiber-reinforced pressure vessel will be described. The method includes determining property data relating to at least one mechanical property of the partially fabricated pressure vessel. In addition, the method includes adjusting the further manufacture of the pressure vessel depending on the property data.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, insbesondere eines Druckbehälters zur Aufnahme eines Brennstoffs.The invention relates to a method for producing a pressure vessel, in particular a pressure vessel for receiving a fuel.
Ein Straßenkraftfahrzeug kann eine Brennstoffzelle aufweisen, die auf Basis eines Brennstoffs wie z.B. Wasserstoff elektrische Energie für den Betrieb, insbesondere für den Antrieb, des Fahrzeugs generiert. Der Brennstoff kann in einem oder mehreren Druckbehältern bzw. Drucktanks des Fahrzeugs gespeichert werden, wobei ein Druckbehälter ein oder mehrere Druckbehälter-Wände aufweist, die einen Hohlraum zur Aufnahme des Brennstoffs umschließen. Der Brennstoff kann über ein Ventil aus dem Druckbehälter zu der Brennstoffzelle des Fahrzeugs geführt werden. Ein Druckbehälter kann am Unterboden bzw. in der Bodengruppe eines Fahrzeugs angeordnet sein.A road vehicle may comprise a fuel cell based on a fuel such as a fuel. Hydrogen generates electrical energy for operation, in particular for the drive, of the vehicle. The fuel may be stored in one or more pressurized tanks of the vehicle, with a pressure vessel having one or more pressure vessel walls enclosing a cavity for receiving the fuel. The fuel can be passed via a valve from the pressure vessel to the fuel cell of the vehicle. A pressure vessel may be disposed on the underbody or in the underbody of a vehicle.
Ein Druckbehälter zur Aufnahme eines Brennstoffs muss typischerweise bestimmte mechanische Eigenschaften aufweisen. Insbesondere muss der Druckbehälter typischerweise bestimmten Anforderungen in Bezug auf einen Berstdruck bzw. in Bezug auf eine Druckfestigkeit genügen.A pressure vessel for receiving a fuel typically must have certain mechanical properties. In particular, the pressure vessel typically has to meet certain requirements with regard to a bursting pressure or with respect to a compressive strength.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, einen kosten-, gewichts- und bauraumeffizienten Druckbehälter mit bestimmten mechanischen Eigenschaften, insbesondere mit einer bestimmten Druckfestigkeit bzw. mit einem bestimmten Berstdruck, bereitzustellen.The present document deals with the technical problem of providing a cost-effective, weight and space-efficient pressure vessel with certain mechanical properties, in particular with a certain compressive strength or with a specific bursting pressure.
Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.The object is solved by the independent claim. Advantageous embodiments are described i.a. in the dependent claims. It should be noted that additional features of a claim dependent on an independent claim without the features of the independent claim or only in combination with a subset of the features of the independent claim may form an independent invention independent of the combination of all features of the independent claim, the subject of an independent claim, a divisional application or a subsequent application. This applies equally to technical teachings described in the specification, which may form an independent invention of the features of the independent claims.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Druckbehälters beschrieben. Der Druckbehälter kann einen Liner aufweisen, auf den mehrere Lagen von Fasermaterial aufgebracht werden, um ein oder mehrere mechanische Eigenschaften des Druckbehälters zu verbessern. Insbesondere können durch das Aufbringen von Fasermaterial, z.B. durch das Aufbringen von faserverstärktem Kunststoff (FVK), die Druckfestigkeit und/oder der Bestdruck eines Druckbehälters auf einen Zielwert gebracht werden.In one aspect, a method of making a fiber reinforced pressure vessel is described. The pressure vessel may include a liner to which multiple layers of fibrous material are applied to enhance one or more mechanical properties of the pressure vessel. In particular, application of fibrous material, e.g. by the application of fiber reinforced plastic (FRP), the compressive strength and / or the best pressure of a pressure vessel are brought to a target value.
Das Verfahren umfasst das Ermitteln von Eigenschafts-Daten bezüglich zumindest einer mechanischen Eigenschaft des teilweise gefertigten Druckbehälters. Die Eigenschafts-Daten können den Eigenschaftswert bzw. Wert zumindest einer mechanischen Eigenschaft anzeigen. Die mechanische Eigenschaft kann dabei einen Berstdruck und/oder eine Druckfestigkeit des teilweise gefertigten Druckbehälters umfassen. Die Eigenschafts-Daten können somit ein Indiz dafür darstellen, welchen Bestdruck und/oder welche Druckfestigkeit der teilweise gefertigte Druckbehälter aufweist.The method includes determining property data relating to at least one mechanical property of the partially fabricated pressure vessel. The property data may indicate the property value or value of at least one mechanical property. The mechanical property may include a bursting pressure and / or a compressive strength of the partially manufactured pressure vessel. The property data can thus be an indication of which best pressure and / or which pressure resistance the partially manufactured pressure vessel has.
Ein Druckbehälter kann nach und nach, z.B. durch Auflegen von Fasermaterial, gefertigt werden. Ein teilweise gefertigter Druckbehälter kann ein Druckbehälter sein, der noch nicht alle vorgesehenen Lagen an Fasermaterial aufweist. Der Fortschritt der Fertigung eines Druckbehälters kann durch einen Fertigungs-Grad angegeben werden. Zu Beginn der Fertigung (z.B. zu Beginn des Auflegens von Fasermaterial) kann der Druckbehälter einen Fertigungs-Grad von 0% aufweisen. Andererseits kann der Druckbehälter einen Fertigungs-Grad von 100% aufweisen, wenn alle vorgesehenen Lagen an Fasermaterial aufgebracht wurden. Der teilweise gefertigte Druckbehälter kann einen Fertigungs-Grad aufweisen, der größer als 0% und/oder kleiner als 100% ist, z.B. einen Fertigungs-Grad von 90%, 80%, 70% oder weniger.A pressure vessel may gradually, e.g. by applying fiber material, are manufactured. A partially manufactured pressure vessel may be a pressure vessel which does not yet have all the intended layers of fiber material. The progress of manufacturing a pressure vessel may be indicated by a manufacturing grade. At the beginning of manufacture (e.g., at the beginning of laying fiber material), the pressure vessel may have a 0% manufacturing grade. On the other hand, the pressure vessel may have a manufacturing grade of 100% when all intended layers of fiber material have been applied. The partially fabricated pressure vessel may have a manufacturing grade that is greater than 0% and / or less than 100%, e.g. a manufacturing grade of 90%, 80%, 70% or less.
Die mechanische Eigenschaft kann derart sein, dass die mechanische Eigenschaft nicht direkt gemessen werden kann. Insbesondere führt die Messung des Berstdrucks zu der Zerstörung eines Druckbehälters. Die Eigenschafts-Daten können somit indirekt (z.B. über ein mathematisches und/oder über ein statistisches Modell) einen Eigenschaftswert der mechanischen Eigenschaft anzeigen. Dabei können die Eigenschafts-Daten derart ermittelt werden, dass durch die Ermittlung der Eigenschafts-Daten der Druckbehälter nicht (ggf. nicht substantiell) beeinträchtigt wird.The mechanical property may be such that the mechanical property can not be measured directly. In particular, the measurement of the bursting pressure leads to the destruction of a pressure vessel. The property data may thus indirectly (e.g., via a mathematical and / or statistical model) indicate a property value of the mechanical property. In this case, the property data can be determined in such a way that the pressure vessel is not (possibly not substantially) adversely affected by the determination of the property data.
Die Eigenschafts-Daten können durch ein oder mehrere Sensoren ermittelt werden. Insbesondere können die Eigenschafts-Daten umfassen: Sensordaten (z.B. Bilddaten), die eine Ablageposition von Fasermaterial auf der Oberfläche des teilweise gefertigten Druckbehälters anzeigen; Sensordaten (z.B. Bilddaten), die eine Abweichung der Ablageposition von Fasermaterial von einer Referenz- bzw. Idealposition von Fasermaterial auf der Oberfläche des teilweise gefertigten Druckbehälters anzeigen; Sensordaten bezüglich des Fasermaterials (z.B. bezüglich des Dehnungsverhaltens des Fasermaterials), das auf der Oberfläche des teilweise gefertigten Druckbehälters aufgebracht wurde; Bilddaten bezüglich der Oberfläche des teilweise gefertigten Druckbehälters; und/oder Sensordaten, die ein Dehnungsverhalten, insbesondere einen Dehnungskoeffizienten und/oder eine Steifigkeit, des teilweise gefertigten Druckbehälters anzeigen.The property data can be determined by one or more sensors. In particular, the property data may include: sensor data (eg, image data) indicating a deposition location of fibrous material on the surface of the partially fabricated pressure vessel; Sensor data (eg image data), the deviation of the storage position of fiber material from a reference or ideal position of fiber material on the surface of the partially manufactured pressure vessel Show; Sensor data relating to the fiber material (eg, with respect to the expansion behavior of the fiber material) applied to the surface of the partially fabricated pressure vessel; Image data relating to the surface of the partially fabricated pressure vessel; and / or sensor data indicating an expansion behavior, in particular a coefficient of expansion and / or a stiffness of the partially manufactured pressure vessel.
Das Verfahren umfasst weiter das Anpassen der weiteren Herstellung des Druckbehälters in Abhängigkeit von den Eigenschafts-Daten. Insbesondere kann das weitere Aufbringen von Fasermaterial auf die Oberfläche des teilweise gefertigten Druckbehälters in Abhängigkeit von den Eigenschafts-Daten angepasst werden. Die weitere Herstellung des Druckbehälters kann dabei derart unter Berücksichtigung der Eigenschafts-Daten angepasst werden, dass der fertige Druckbehälter einen Zielwert für die mechanische Eigenschaft (insbesondere für die Druckfestigkeit bzw. für den Berstdruck) aufweist.The method further comprises adjusting the further manufacture of the pressure vessel depending on the property data. In particular, the further application of fiber material can be adapted to the surface of the partially manufactured pressure vessel depending on the property data. The further production of the pressure vessel can be adapted in such a way taking into account the property data that the finished pressure vessel has a target value for the mechanical property (in particular for the compressive strength or for the bursting pressure).
Durch die Berücksichtigung von Eigenschafts-Daten während der Herstellung eines einzelnen Druckbehälters kann gewährleistet werden, dass jeder einzelne Druckbehälter den Zielwert der mechanischen Eigenschaft aufweist. Dabei kann die Menge an Fasermaterial, die auf einen Druckbehälter aufgebracht wird, individuell angepasst werden. Als Folge daraus können die erforderliche Materialmenge, das Gewicht und der erforderliche Bauraum für einen Druckbehälter (im Mittel für eine Vielzahl von Druckbehältern, d.h. statistisch) reduziert werden.By taking into account property data during the manufacture of a single pressure vessel, it can be ensured that each individual pressure vessel has the target value of the mechanical property. In this case, the amount of fiber material that is applied to a pressure vessel can be customized. As a result, the required amount of material, weight and space required for a pressure vessel (on average for a plurality of pressure vessels, i.e. statistically) can be reduced.
Im Vorfeld kann eine Mehrzahl von Lagenaufbauten definiert werden, die auf einen teilweise gefertigten Druckbehälter (mit einem bestimmten Fertigungs-Grad) aufgebracht werden können. Die Lagenaufbauten können z.B. durch eine Zulassungsstelle zertifiziert werden. Es kann dann in Abhängigkeit von den Eigenschafts-Daten ein Lagenaufbau des Fasermaterials aus der Mehrzahl von vordefinierten Lagenaufbauten für die weitere Herstellung des Druckbehälters ausgewählt werden.In advance, a plurality of ply structures may be defined which may be applied to a partially fabricated pressure vessel (of a particular manufacturing grade). The ply structures may e.g. be certified by a registration office. It can then be selected depending on the property data, a layer structure of the fiber material from the plurality of predefined layer structures for the further production of the pressure vessel.
Beispielsweise kann die Mehrzahl von Lagenaufbauten einen ersten Lagenaufbau mit einem relativ hohen Beitrag zu dem Zielwert der mechanischen Eigenschaft und einen zweiten Lagenaufbau mit einem relativ niedrigen Beitrag zu dem Zielwert der mechanischen Eigenschaft umfassen. Der erste Lagenaufbau kann für die weitere Herstellung des Druckbehälters ausgewählt werden, wenn die Eigenschafts-Daten anzeigen, dass die mechanische Eigenschaft des teilweise gefertigten Druckbehälters relativ weit von dem Zielwert entfernt ist. Andererseits kann der zweite Lagenaufbau für die weitere Herstellung des Druckbehälters ausgewählt werden, wenn die Eigenschafts-Daten anzeigen, dass die mechanische Eigenschaft des teilweise gefertigten Druckbehälters relativ nah an dem Zielwert liegt. So kann in zuverlässiger, individueller und effizienter Weise die Herstellung eines Druckbehälters angepasst werden, um Druckbehälter bereitzustellen, die einen bestimmten Zielwert für die zumindest eine mechanische Eigenschaft aufweisen.For example, the plurality of ply assemblies may comprise a first ply structure having a relatively high contribution to the target mechanical property and a second ply construction having a relatively low contribution to the target mechanical property. The first layer structure may be selected for further manufacturing of the pressure vessel when the property data indicates that the mechanical property of the partially fabricated pressure vessel is relatively far from the target value. On the other hand, if the property data indicates that the mechanical property of the partially fabricated pressure vessel is relatively close to the target value, the second layer structure may be selected for further production of the pressure vessel. Thus, in a reliable, individual and efficient manner, the manufacture of a pressure vessel can be adapted to provide pressure vessels having a particular target value for the at least one mechanical property.
Das Anpassen der Herstellung des Druckbehälters kann umfassen: das Anpassen einer Ablageposition von Fasermaterial auf der Oberfläche des Druckbehälters; das Anpassen einer Ablagegeschwindigkeit von Fasermaterial auf der Oberfläche des Druckbehälters; das Anpassen einer Eigenschaft des Fasermaterials, das auf der Oberfläche des Druckbehälters abgelegt wird; das Anpassen einer Menge an Fasermaterial, das auf der Oberfläche des Druckbehälters abgelegt wird; das Anpassen eines Lagenaufbaus von Lagen aus Fasermaterial, die auf der Oberfläche des Druckbehälters abgelegt werden; das Anpassen eines Prozesses, insbesondere eines Wickel-, eines Flecht- und/oder eines Tape-Lage-Prozesses, mit dem Fasermaterial auf der Oberfläche des Druckbehälters abgelegt wird; und/oder das Anpassen einer Orientierung des Fasermaterials, das auf der Oberfläche des Druckbehälters abgelegt wird.Adjusting the manufacture of the pressure vessel may include: adjusting a deposition position of fibrous material on the surface of the pressure vessel; adjusting a deposition rate of fibrous material on the surface of the pressure vessel; adjusting a property of the fiber material deposited on the surface of the pressure vessel; adjusting an amount of fibrous material deposited on the surface of the pressure vessel; adjusting a ply structure of layers of fibrous material deposited on the surface of the pressure vessel; the adaptation of a process, in particular a winding, a braiding and / or a tape-laying process, is deposited with the fiber material on the surface of the pressure vessel; and / or adjusting an orientation of the fiber material deposited on the surface of the pressure vessel.
Es können somit ein oder mehrere Parameter des Herstellungsprozesses eines Druckbehälters individuell auf Basis der Eigenschafts-Daten angepasst werden, um zu gewährleisten, dass der fertige Druckbehälter den Zielwert der zumindest einen mechanischen Eigenschaft mit einem möglichst geringen Materialaufwand (im Mittel für eine Charge von Druckbehältern) aufweist. Beispielsweise kann die Ablagegeschwindigkeit reduziert werden, wenn die Eigenschafts-Daten anzeigen, dass der teilweise gefertigte Druckbehälter einen Istwert der mechanischen Eigenschaft aufweist, der relativ weit von dem Zielwert der mechanischen Eigenschaft entfernt ist. So kann die Ablagequalität für die verbleibende Herstellung des Druckbehälters erhöht werden, was typischerweise vorteilhaft in Bezug auf die gewünschte mechanische Eigenschaft des Druckbehälters ist.One or more parameters of the production process of a pressure vessel can thus be adapted individually on the basis of the property data in order to ensure that the finished pressure vessel reaches the target value of the at least one mechanical property with as little material expenditure as possible (on average for a batch of pressure vessels). having. For example, the deposition rate may be reduced if the property data indicates that the partially fabricated pressure vessel has an actual mechanical property value that is relatively far removed from the mechanical property target value. Thus, the storage quality for the remaining production of the pressure vessel can be increased, which is typically advantageous in relation to the desired mechanical property of the pressure vessel.
Wie bereits oben dargelegt, können die Eigenschafts-Daten für einen bestimmten Fertigungs-Grad (z.B. für einen Fertigungsgrad zwischen 40% und 60%) des teilweise gefertigten Druckbehälters ermittelt werden. Auf Basis der Eigenschafts-Daten kann eine Abweichung des Istwertes der mechanischen Eigenschaft von einem Referenzwert der mechanischen Eigenschaft ermittelt werden. Dabei kann der Referenzwert einen Wert der mechanischen Eigenschaft anzeigen, den der teilweise gefertigte Druckbehälter bei dem bestimmten Fertigungs-Grad aufweisen sollte, damit der vollständig gefertigte Druckbehälter (bei Durchführung eines Standard-Herstellungsprozesses) den Zielwert der mechanischen Eigenschaft aufweist. Der Referenzwert kann im Vorfeld (z.B. durch Simulation und/oder durch statistische Auswertung einer Vielzahl von Druckbehältern) ermittelt werden.As already stated above, the property data for a particular degree of production (eg, for a degree of production between 40% and 60%) of the partially manufactured pressure vessel can be determined. On the basis of the property data, a deviation of the actual value of the mechanical property from a reference value of the mechanical property can be determined. In this case, the reference value may indicate a value of the mechanical property that the partially manufactured pressure vessel should have at the particular manufacturing grade in order for the fully manufactured pressure vessel (when performing a standard manufacturing process) to reach the target value having mechanical property. The reference value can be determined in advance (eg by simulation and / or by statistical evaluation of a plurality of pressure vessels).
Die weitere Herstellung des Druckbehälters kann dann in Abhängigkeit von der Abweichung des Istwertes von dem Referenzwert angepasst werden. Die weitere Herstellung des Druckbehälters kann dabei abweichend von dem Standard-Herstellungsprozess erfolgen, um die Abweichung des Istwertes von dem Referenzwert zumindest teilweise zu kompensieren. Beispielsweise kann die Menge an abzulegendem Fasermaterial erhöht werden (im Vergleich zu dem Standard-Herstellungsprozess), wenn der Istwert kleiner als der Referenzwert ist. Alternativ oder ergänzend kann die Ablagegeschwindigkeit reduziert werden (im Vergleich zu dem Standard-Herstellungsprozess), wenn der Istwert kleiner als der Referenzwert ist. Alternativ oder ergänzend kann ein Lagenaufbau mit einem relativ hohen Beitrag zu dem Zielwert der mechanischen Eigenschaft ausgewählt werden, wenn der Istwert kleiner als der Referenzwert ist. Durch die Berücksichtigung eines Referenzwertes kann die Genauigkeit der Anpassung der Herstellung eines Druckbehälters weiter erhöht werden.The further production of the pressure vessel can then be adjusted as a function of the deviation of the actual value from the reference value. The further production of the pressure vessel can be done deviating from the standard manufacturing process to compensate for the deviation of the actual value of the reference value at least partially. For example, the amount of fiber material to be deposited can be increased (as compared to the standard manufacturing process) if the actual value is less than the reference value. Alternatively or additionally, the deposition speed can be reduced (in comparison to the standard production process) if the actual value is smaller than the reference value. Alternatively or additionally, a layer structure with a relatively high contribution to the target value of the mechanical property can be selected if the actual value is smaller than the reference value. By taking into account a reference value, the accuracy of adjusting the production of a pressure vessel can be further increased.
Die Eigenschafts-Daten bezüglich der mechanischen Eigenschaft können in unterschiedlichen Richtungen, insbesondere in einer axialen und/oder einer tangentialen Richtung des Druckbehälters, ermittelt werden. Mit anderen Worten, es können richtungsabhängig Eigenschafts-Daten ermittelt werden. Die Herstellung des Druckbehälters kann dann dediziert bezüglich der unterschiedlichen Richtungen angepasst werden. Insbesondere kann eine Anpassung bezüglich einer axialen und/oder einer tangentialen Richtung des Druckbehälters vorgenommen werden. Alternativ oder ergänzend können die Eigenschafts-Daten bezüglich der mechanischen Eigenschaften von verschiedenen Regionen bzw. Bereichen des Druckbehälters ermittelt werden: So kann beispielsweise zwischen einer Dom-Region bzw. einer gewölbten (typischerweise an zumindest einer Stirnseite des Druckbehälters) und dem zylindrischen Anteil des Druckbehälters unterschieden werden. Die Herstellung des Druckbehälters kann dann dediziert für die unterschiedlichen Regionen bzw. Bereich des Druckbehälters angepasst werden. Durch die Berücksichtigung von unterschiedlichen Richtungen und/oder unterschiedlichen Regionen bzw. Bereichen kann der Materialverbrauch für die Herstellung eines Druckbehälters weiter optimiert werden.The property data relating to the mechanical property can be determined in different directions, in particular in an axial and / or a tangential direction of the pressure vessel. In other words, property-dependent property data can be determined. The manufacture of the pressure vessel can then be adapted to the different directions. In particular, an adjustment with respect to an axial and / or a tangential direction of the pressure vessel can be made. Alternatively or additionally, the property data with respect to the mechanical properties of different regions or areas of the pressure vessel can be determined: For example, between a dome region or a curved (typically at least one end face of the pressure vessel) and the cylindrical portion of the pressure vessel be differentiated. The production of the pressure vessel can then be adapted for the different regions or area of the pressure vessel. By taking into account different directions and / or different regions or areas of the material consumption for the production of a pressure vessel can be further optimized.
Die Eigenschafts-Daten können für mehrere unterschiedliche Fertigungs-Grade des teilweise gefertigten Druckbehälters ermittelt werden. Insbesondere können an unterschiedlichen Zeitpunkten bei der Herstellung eines Druckbehälters Eigenschafts-Daten ermittelt werden. Die weitergehende Herstellung des Druckbehälters ab dem jeweiligen Fertigungs-Grad kann dann in Abhängigkeit von den für den jeweiligen Fertigungs-Grad ermittelten Eigenschafts-Daten angepasst werden. Es kann somit während der Herstellung eines Druckbehälters mehrmals eine Anpassung der Herstellung auf Basis von Eigenschafts-Daten erfolgen. So kann die Herstellung eines Druckbehälters weiter optimiert werden.The property data can be determined for several different manufacturing levels of the partially manufactured pressure vessel. In particular, characteristic data can be determined at different times in the production of a pressure vessel. The further production of the pressure vessel from the respective production degree can then be adjusted depending on the property data determined for the respective production degree. It can thus take place during the manufacture of a pressure vessel several times an adjustment of the production based on property data. Thus, the production of a pressure vessel can be further optimized.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fertigungssystem und/oder eine Steuereinheit für ein Fertigungssystem für einen Druckbehälter beschrieben, die eingerichtet sind, das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.According to a further aspect, a production system and / or a control unit for a production system for a pressure vessel, which are set up to carry out the method described in this document, is described.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.It should be understood that the methods, devices and systems described herein may be used alone as well as in combination with other methods, devices and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the methods, devices, and systems described herein may be combined in a variety of ways. In particular, the features of the claims can be combined in a variety of ways.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
-
1 eine beispielhafte Druckbehälter-Anordnung in einem Fahrzeug; -
2 einen Längsschnitt eines beispielhaften Druckbehälters; -
3a und3b beispielhafte Verläufe eines Eigenschaftswertes einer mechanischen Eigenschaft eines faserbasierten Druckbehälters während der Herstellung des Druckbehälters; und -
4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Druckbehälters mit einem Zielwert für zumindest eine mechanische Eigenschaft.
-
1 an exemplary pressure vessel arrangement in a vehicle; -
2 a longitudinal section of an exemplary pressure vessel; -
3a and3b exemplary courses of a property value of a mechanical property of a fiber-based pressure vessel during the manufacture of the pressure vessel; and -
4 a flowchart of an exemplary method for producing a fiber-reinforced pressure vessel with a target value for at least one mechanical property.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Herstellung eines kosten-, gewichts- und bauraumeffizienten Druckbehälters, der einen Zielwert für zumindest eine mechanische Eigenschaft (insbesondere der Druckfestigkeit) aufweist. Dabei befasst sich das vorliegende Dokument insbesondere mit einem Druckbehältersystem (insbesondere einem 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.As stated above, the present document is concerned with the production of a pressure, weight and space-efficient pressure vessel having a target value for at least one mechanical property (in particular the compressive strength). The present document is concerned in particular with a pressure vessel system (in particular a compressed hydrogen storage system (= CHS system)) for a motor vehicle. The pressure vessel system is used to store under ambient conditions gaseous fuel or fuel. The pressure vessel system can be used, for example, in a motor vehicle equipped with compressed ("Compressed Natural Gas "= CNG) or liquefied (LNG) natural gas or with hydrogen.
Ein solches Druckbehältersystem umfasst mindestens einen Druckbehälter bzw. Drucktank. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein.Such a pressure vessel system comprises at least one pressure vessel or pressure tank. The pressure vessel may be, for example, a cryogenic pressure vessel (= CcH2) or a high-pressure gas vessel (= CGH2).
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 bzw. Kraftstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.High pressure gas containers are configured to store fuel substantially at ambient temperatures at a nominal operating pressure (also called nominal working pressure or NWP) of about 350 bar (= overpressure to atmospheric pressure), more preferably about 700 barg or more. A cryogenic pressure vessel is suitable to store the fuel or fuel at the aforementioned operating pressures even at temperatures that are well below the operating temperature of the motor vehicle.
Der Druckbehälter
Wie in
Ein Druckbehälter
Bei der Herstellung der Faserarmierung, d.h. während des Wickel- oder Flecht-Prozesses zur Herstellung der faserverstärkten Schicht
Bei der Herstellung der faserverstärkten Schicht
Durch die Güte der Ablage der Fasern bei der Herstellung der faserverstärkten Schicht
Die Verstärkungsfasern in der faserverstärkten Armierung
Die Qualität und/oder die mechanischen Eigenschaften (z.B. Festigkeit, Steifigkeit) der Fasern, die für die Herstellung des Druckbehälters
Bei der Zulassung eines Druckbehälters
Bei einer Charge von produzierten Druckbehältern
Zur Optimierung des Ablageprozesses können im Lauf des Ablageprozesses Eigenschafts-Daten, insbesondere Sensordaten, in Bezug auf den Eigenschaftswert
- • Bilddaten, die die Ablageposition von Fasern in der faserverstärkten Schicht
202 während des Ablageprozesses anzeigen; die Bilddaten können insbesondere eine Abweichung der Ablageposition von einer Referenzposition anzeigen; - • Sensordaten in Bezug auf das Dehnungsverhalten und/oder die Steifigkeit des
Druckbehälters 110 während des Ablageprozesses; - • Bilddaten in Bezug auf die Qualität der Fasern bzw. Faserbündel, die für die
faserverstärkte Schicht 202 abgelegt werden; und/oder - • Sensordaten in Bezug auf das Dehnungsverhalten und/oder die Steifigkeit der in der faserverstärkten Schicht
202 abgelegten Fasern bzw. Faserbündel.
- • Image data showing the placement position of fibers in the fiber reinforced
layer 202 during the filing process; the image data may in particular indicate a deviation of the storage position from a reference position; - • Sensor data relating to the expansion behavior and / or the rigidity of the
pressure vessel 110 during the filing process; - Image data relating to the quality of the fibers or fiber bundles, that for the fiber-reinforced
layer 202 be filed; and or - Sensor data relating to the expansion behavior and / or stiffness of the fiber-reinforced
layer 202 deposited fibers or fiber bundles.
Auf Basis der Eigenschafts-Daten kann z.B. mittels eines Modells ein Ist-Eigenschaftswert
Idealerweise wird auf jeden Druckbehälter
Auch bei einer idealen Faserablage verändern sich die mechanischen Eigenschaften (insbesondere der Berstdruck) des (noch unvollständig mit Faserarmierung versehenen) Druckbehälters
Um nun die unter Produktionsbedingungen auftretenden nicht-idealen Faserablagen zu berücksichtigen, kann während der Aufbringung der Faserarmierung wiederholt (z.B. laufend) die Qualität der Faserablage ermittelt und aufgezeichnet werden. Es können somit während der Aufbringung der Faserarmierung Eigenschafts-Daten ermittelt bzw. erfasst werden. Ähnlich wie für eine ideale Faserablage, können auch für eine fehlerbehaftete, reale Faserablage aus der aufgezeichneten Faserablagequalität (d.h. aus den Eigenschafts-Daten) die mechanischen Eigenschaften aufgrund von Simulation oder (in der Vergangenheit gewonnenen) experimentellen Daten vorhergesagt werden. Es kann somit ein Ist-Verlauf
Typischerweise werden für die reale Faserablage (Ist-Verlauf
Um diesen Zielwert trotz nicht-idealer Faserablage dennoch zu erreichen, kann die aufzubringende Fasermenge um den Wert Z erhöht werden (wie in
Konkret kann die zusätzliche Fasermenge Z aus zusätzlichen Wickel- und/oder Flecht- und/oder Tape-Lagen bestehen. Dabei kann das zusätzliche Fasermaterial ggf. lokal auf den Druckbehälter
Es kann z.B. eine Ermittlung und Aufzeichnung der Ablagequalität mit lokaler Auflösung innerhalb der Faserarmierung eines Druckbehälters
Generell kann das Aufbringen des Zusatzmaterials Z verteilt während der Faserarmierung erfolgen, beispielsweise immer dann, wenn eine Abweichung Δ der Istwerte
Alternativ oder ergänzend zur adaptiven Erhöhung des Materialeinsatzes können ein oder mehrere andere Herstellungsparameter bei der Herstellung eines Druckbehälters
Die Zertifizierung eines Druckbehälters
Wie oben beschrieben kann, ggf. zusätzlich zu der Ablagequalität, die Qualität des Fasermaterials variieren. Außerdem können weitere Schwankungen bei der Herstellung eines Druckbehälters
In einem ggf. iterativen Verfahren kann z.B. durch Flechten und/oder Wickeln und/oder Tape-Legen ein Teil der Faserarmierung eines Druckbehälters
Es können dann Eigenschafts-Daten, insbesondere Sensordaten, in Bezug auf ein oder mehrere mechanische Eigenschaften des noch unvollständigen Druckbehälters
Basierend auf den ermittelten Eigenschafts-Daten können die erforderlichen ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften der noch fehlenden FVK-Armierung ermittelt werden, so dass die Zielwerte der ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften des Gesamt-Druckbehälters
Durch die (ggf. wiederholte und bevorzugt kontinuierlich stattfindende, und/oder laufende) Überprüfung der Faserablagequalität im Laufe des Herstellungsprozesses eines Druckbehälters
Durch die Nutzung der Information (d.h. der Eigenschafts-Daten) über die ein oder mehreren mechanischen Eigenschaften der unvollständigen FVK-Armierung kann der Mindest-Berstdruck eines Druckbehälters
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 Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.The present invention is not limited to the embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and figures are intended to illustrate only the principle of the proposed methods, apparatus and systems.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Druckbehälter-AnordnungPressure vessel arrangement
- 101101
- Brennstoff-VerbraucherFuel consumers
- 110110
- Druckbehälterpressure vessel
- 111, 114111, 114
- Endstücktail
- 112112
- Leitungmanagement
- 113113
- DruckentlastungsvorrichtungPressure relief device
- 115115
- VentilValve
- 201201
- Linerliner
- 202202
- faserverstärkte Schichtfiber reinforced layer
- 210210
- Hohlraumcavity
- 301301
- Eigenschaftswert einer mechanischen EigenschaftProperty value of a mechanical property
- 302, 303302, 303
- Fertigungs-Grad eines DruckbehältersProduction degree of a pressure vessel
- 304304
- Referenzverlauf des EigenschaftswertesReference history of the property value
- 305, 306305, 306
- Ist-Verlauf des EigenschaftswertesActual history of the property value
- 400400
- Verfahren zur Herstellung eines DruckbehältersMethod for producing a pressure vessel
- 401, 402401, 402
- Verfahrensschrittesteps
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102017207156.7A DE102017207156A1 (en) | 2017-04-27 | 2017-04-27 | Method for producing a pressure vessel |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE102017207156.7A DE102017207156A1 (en) | 2017-04-27 | 2017-04-27 | Method for producing a pressure vessel |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102017207156A1 true DE102017207156A1 (en) | 2018-10-31 |
Family
ID=63797175
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DE102017207156.7A Withdrawn DE102017207156A1 (en) | 2017-04-27 | 2017-04-27 | Method for producing a pressure vessel |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102017207156A1 (en) |
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