DE102017208540A1 - Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters sowie Druckbehälter - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters mit mindestens einer faserverstärkten Schicht 120, wobei die faserverstärkte Schicht 120 mehrere Faserlagen 122, 126 Verstärkungsfaser aufweist, umfassend den Schritt: Aufbringen der mehreren Faserlagen 122, 126, wobei mindestens zwei Faserlagen 122, 126 unterschiedlich verstreckt werden.

Description

• Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters sowie einen Druckbehälter. Druckbehälter als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei relativ dickwandigen Druckbehältern, wie sie beispielsweise für die Speicherung von Wasserstoff in Fahrzeugen eingesetzt werden, kommt es aufgrund der Kompression der Behälterwand mit steigendem Innendruck zu einer ungleichmäßigen Auslastung der Verstärkungsfasern. Dies führt dazu, dass mehr Fasermaterial verwendet werden muss, als eigentlich notwendig wäre. Mehr Fasermaterial geht einher mit erhöhten Herstellungskosten, Platzbedarf und Gewicht.
• Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, einen preisgünstigen, leichten und/oder platzsparenden Druckbehälter bereitzustellen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
• Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner einen Druckbehälter (für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge), der insbesondere nach einem der hier offenbarten Verfahren hergestellt sein kann. Der Druckbehälter dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Der Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. 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.
• Der Druckbehälter umfasst 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. Nachstehend wird meistens der Begriff „faserverstärkte Schicht“ 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). Die 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. Die faserverstärkte Schicht weist i.d.R. mehrere Schichtlagen auf.
• Die faserverstärkte Schicht weist mehrere Faserlagen auf. Die mehreren Faserlagen können Umfangslagen sein. Die faserverstärkte Schicht weist i.d.R. 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 i.d.R. 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 orientiert. Insbesondere kann die faserverstärkte Schicht eine äußere Faserlage umfassen, die eine innere Faserlage zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, umgibt. Die äußere Faserlage kann also weiter außen angeordnet sein als die innere Faserlage.
• Der Druckbehälter 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. Bevorzugt dient der Liner als Ablagekörper für die Verstärkungsfasern der faserverstärkten Schicht. Es kann ebenso auch ein linerloser Druckbehälter vorgesehen sein.
• Der hier offenbarten Technologie liegt der Gedanke zugrunde, dass bei vorbekannten Druckbehältern die inneren Lagen bei gleichem Innendruck stärker belastet werden als die äußeren Lagen. Dadurch wird das verwendete Material nicht so ausgenutzt, wie es eigentlich möglich wäre und es wird mehr Material verwendet, als eigentlich notwendig wäre. Um die Belastung der Verstärkungsfasern in Umfangsrichtung für unterschiedliche Lagen gleichmäßiger zu gestalten (insbesondere für Drücke im Bereich des Berstdrucks), sollen die äußeren (Umfangs-)Lagen mit einem entsprechend stärker verstreckten bzw. gestreckten Verlauf abgelegt werden, als die inneren (Umfangs-)Lagen. Erfindungsgemäß sollen also unterschiedliche Lagen in unterschiedlichem Maß verstreckt werden. Insbesondere sollen die äußeren (Umfangs-)lagen stärker verstreckt werden als die inneren Umfangslagen. Demnach umfasst das hier offenbarte Verfahren den Schritt: Aufbringen der mehreren Faserlagen, wobei mindestens zwei Faserlagen unterschiedlich verstreckt werden. Insbesondere kann die äußere Faserlage stärker verstreckt werden als die innere Faserlage
• Der Begriff „Verstrecken“ ist im Kontext dieser Patentanmeldung ein Maß für die Welligkeit bzw. Verkräuselung der Verstärkungsfasern. Je stärker eine Verstärkungsfaser verstreckt ist, desto geringer ist ihre Welligkeit bzw. Verkräuselung. Als Maß für die Verstreckung kann die Länge der Verstärkungsfaser im nicht gewellten bzw. verkräuselten Zustand in Relation gesetzt werden zur Länge im gewellten bzw. verkräuselten aber bevorzugt ungedehnten Zustand. Ein Maß für die Verstreckung ist z.B. „Crimp Percentage“. $$\text{C}=\left(\text{l}-\text{p}\right)/\text{p}*100\%$$

  

  wobei,

c

die Crimp Percentage;

l

die nicht gewellte bzw. verkräuselte Länge der Verstärkungsfaser; und

p

die gewellte bzw. verkräuselte Länge der Verstärkungsfaser ist.

• Gleichsam kann der Kehrwert von C als Maß herangezogen werden. Ferner kann die Summe der Beträge aller seitlichen Abweichung A₁₂₂ von einer Ideallinie, insbesondere einer Geodäte, als Maß für die Verstreckung herangezogen werden.
• Zwischen dem Liner und der faserverstärkten Schicht kann eine Transportschicht (engl.: breather layer) vorgesehen sein. Die Transportschicht kann insbesondere derart gasdurchlässig ausgebildet sein, dass durch den Liner diffundierter Brennstoff in andere Bereiche strömen kann, beispielsweise in Richtung der Enden des Druckbehälters. Die Transportschicht kann hierzu beispielsweise Mikrokanäle oder Mikrospalte ausbilden. Eine solche Transportschicht muss aber nicht vorgesehen sein. Diese Transportschicht kann dann die hier offenbarte Grenzschicht zwischen Liner und faserverstärkte Schicht mit ausbilden.
• Die Transportschicht selbst und/oder der Liner kann zumindest bereichsweise, bevorzugt in einem zylindrischen Mittelteil eine gewellte Struktur aufweisen, wobei die innere Faserlage mehr an die gewellte Struktur anschmiegend abgelegt ist als die äußere Faserlage.
• Bevorzugt werden sowohl die innere Faserlage als auch die äußere Faserlage gewickelt. Besonders bevorzugt werden sämtliche Faserlagen gewickelt. Ebenso ist auch vorstellbar, dass einige oder alle Lagen geflochten werden.
• Es gibt verschiedene Möglichkeiten die Verstreckung der Verstärkungsfasern zu variieren, die jeweils einzeln oder in Kombination miteinander genutzt werden können.
1. a. Die Fasern können mit unterschiedlicher Zugkraft abgelegt (z.B. gewickelt) werden. Die höhere Zugkraft bewirkt eine stärkere Verstreckung und umgekehrt. Während der Ablage von Verstärkungsfasern der äußeren Faserlage kann eine Faserablageeinrichtung eine höhere Zugspannung auf die abzulegenden Verstärkungsfasern ausüben als während der Ablage von Verstärkungsfasern der inneren Faserlage.
2. b. Die Verstärkungsfasern und/oder Faserbündel können in unterschiedlichem Maße verdrillt werden. Eine starke Verdrillung entspricht einem wenig verstreckten Verlauf und umgekehrt. Die Verstärkungsfasern der inneren Faserlage können zumindest teilweise stärker verdrillt sein als Verstärkungsfasern der äußeren Faserlage.
3. c. Der Wickelkopf kann bei der Ablage Vibrationen oder Schwingungen senkrecht zum Faserlauf ausführen. Je größer die Amplitude und die Frequenz der Vibrationen bzw. der Schwingungen bei der Ablage ist, desto geringer verstreckt werden die Verstärkungsfasern abgelegt und umgekehrt. Während der Ablage von Verstärkungsfasern der äußeren Faserlage kann eine Faserablageeinrichtung weniger schwingen als während der Ablage von Verstärkungsfasern der inneren Faserlage.
4. d. Der Radius des Ablagekörpers (insbesondere Wickelkörper) kann variiert werden. Im Besonderen können unterschiedliche Radien für Faserablage und Aushärtung zum Einsatz kommen. Beim Aushärten wird der Verstreckungszustand der Verstärkungsfasern dann quasi „eingefroren“. Bevorzugt kann ein (Kunststoff-)Liner, der als Wickelkörper genutzt wird, mit Innendruck beaufschlagt werden. Erfolgt die Ablage bei einem bestimmten Innendruck und erfolgt das anschließende Aushärten bei einem demgegenüber erhöhten Innendruck, bewirkt dies eine Verstreckung der Verstärkungsfasern. Beim Aushärten der äußeren Faserlage kann der Druckbehälter mit einem anderen Innendruck beaufschlagt werden und/oder der Ablagekörper einen anderen Radius aufweisen als beim Aushärten der inneren Faserlage. Dies lässt sich einerseits durch einen stufenweisen Herstellungsprozess, in dem Faserablage und Aushärten jeweils für die einzelnen Lagen sequentiell hintereinander erfolgen, bewirken.
• Da insbesondere die äußeren Lagen stärker verstreckt sein sollen, bietet sich die Herstellung von außen nach innen an, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 10 2016 204990 beschrieben ist, deren Inhalt hiermit per Verweis hier mit aufgenommen wird. Mithin umfasst die hier offenbarte Technologie also auch die folgenden Verfahren:
• Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung von Brennstoff, umfassend die Schritte:
• - Bereitstellen von einer Außenkontur, und
• - Ablegen von Verstärkungsfasern der faserverstärkten Schicht des Druckbehälters auf der Innenseite der Außenkontur.
• Die Verstärkungsfasern können von mindestens einer Spule abgewickelt werden, die sich nicht im Inneren der Außenkontur befindet. Nach dem Ablegen der Verstärkungsfasern kann die Ablagevorrichtung zur Ablage von Endlosfasern aus dem Inneren der Außenkontur und/oder aus dem Inneren des Druckbehälters herausgeführt werden. Die Ablagevorrichtung kann eine Anpressrolle umfassen, die die Endlosfasern ablegt. Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen: Ausbilden eines Liners auf der Innenseite der faserverstärkten Schicht. Der Liner kann durch Blasformen und/oder durch Rotationsformen ausgebildet werden. Die Verstärkungsfaser können vor dem Ablegen mit Matrixmaterial imprägniert werden. Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen: Einbringen von Matrixmaterial in die faserverstärkte Schicht nachdem die Endlosfasern abgelegt wurden. Vor dem Einbringen von Matrixmaterial kann in die faserverstärkte Schicht der Liner ausgebildet worden sein. Die Verstärkungsfasern können auf der Außenkontur durch mindestens eine beheizte Anpressrolle abgelegt werden, und/oder wobei die Endlosfasern durch Laserschweißen, durch ultraviolette Strahlung, durch elektrostatische Kräfte und/oder durch einen Haftvermittler fixiert werden. Während des Einbringens von Matrixmaterial und/oder während des Aushärtens der faserverstärkten Schicht kann ein Innendruck anliegen.
• Außer in einem stufenweisen Herstellungsprozess, in dem Faserablage und Aushärten jeweils für die einzelnen Lagen sequentiell hintereinander erfolgen, gibt es noch ein anderes Verfahren, bei dem zunächst die komplette Faserablage erfolgt, was produktionstechnisch sehr günstig ist. Die hier offenbarte Technologie betrifft gleichsam ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, bei dem nach der Faserablage die innere Faserlage und die äußere Faserlage in unterschiedlichen Zeitintervallen ausgehärtet werden. In den unterschiedlichen Zeitintervallen kann das Behälterinnere mit unterschiedlichen Innendrücken beaufschlagt werden. Somit können in den unterschiedlichen Zeitintervallen der Radius des Ablagekörpers und damit der Zustand der Verstreckung, der bei der Aushärtung „eingefroren“ bzw. fixiert wird, unterschiedlich sein.
• Der Begriff „Aushärten“ meint im Kontext dieser Patentanmeldung, dass das Matrixmaterial von einem flüssigen Zustand in einen derart festen Zustand überführt wird, das das Matrixmaterial die Position der Verstärkungsfasern fixiert. Ist das Matrixmaterial ein Duroplast, so geht das Material durch chemische Vernetzung in den festen Zustand über. Ist das Matrixmaterial indes ein Thermoplast, so geht das Material durch Abkühlung bzw. Erstarren in den festen Zustand über.
• Die Zeitintervalle sind dabei verschieden und zeitlich versetzt zueinander. Sie können sich leicht überlappen. Bevorzugt finden die Aushärtung von innerer Faserlage und äußerer Faserlage nacheinander statt.
• Beispielsweise kann der Betrag der Druckdifferenz vom Innendruck während des Aushärtens der äußeren Faserlage im Vergleich zum Innendruck während des Aushärtens der inneren Faserlage mindestens 2 bar, oder mindestens 20 bar, oder mindestens 200 bar betragen.
• Besonders bevorzugt wird zunächst die äußere Faserlage ausgehärtet und zeitlich versetzt wird später die innere Faserlage ausgehärtet. Der Innendruck während der Aushärtung der äußeren Faserlage kann dabei höher sein als während der Aushärtung der inneren Faserlage. Hierdurch kann erzielt werden, dass zunächst die Verstärkungsfasern der äußeren Faserlage durch das Matrixmaterial fixiert werden wobei gleichzeitig die Verstärkungsfasern der inneren Fasern nicht fixiert sind. Wird nun der der Innendruck noch vor der Aushärtung der inneren Faserlage verringert, so zieht sich der Druckbehälter zusammen. Dadurch werden die Verstärkungsfasern der inneren Faserlage weniger verstreckt bzw. wellen bzw. kräuseln sich. In diesem Zustand werden nun in dem zeitlich versetzten Zeitintervall die Verstärkungsfasern der inneren Faserlage fixiert.
• Alternativ kann vorgesehen sein, dass zunächst die innere Faserlage ausgehärtet wird und zeitlich versetzt später die äußere Faserlage ausgehärtet wird. Der Innendruck kann während der Aushärtung der äußeren Faserlage höher sein als während der Aushärtung der inneren Faserlage. Gleichsam wird dadurch erzielt, dass das Matrixmaterial die Verstärkungsfasern der äußeren Faserlage in einem stärker verstrecktem Zustand fixiert als das Matrixmaterial Verstärkungsfasern der inneren Faserlage fixiert.
• Hierzu kann vorgesehen sein, dass die innere Faserlage stärker erwärmt wird als die äußere Faserlage. Gemäß dem hier offenbarten Verfahren kann vorgesehen sein, dass das Behälterinnere auf eine Innentemperatur erwärmt wird, die höher ist als die Außentemperatur unmittelbar außerhalb vom herzustellenden Druckbehälter. Die Temperaturdifferenz zwischen der Innentemperatur und der Außentemperatur kann mindestens 30 K, mindestens 50 K oder mindestens 100 K betragen. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Umgebung unmittelbar außerhalb vom Druckbehälter während des Aushärtens gekühlt wird. In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Behälterinnere mit einer Flüssigkeit gefüllt wird. Wird das Behälterinnere mit einer Flüssigkeit gefüllt, so kann die Veränderung vom Radius des Ablagekörpers genauer variiert werden als mit einem kompressiblen Gas. Besonders bevorzugt kann die Flüssigkeit erhitzt sein, sodass die Flüssigkeit Wärmeenergie vom Behälterinneren an die faserverstärkte Schicht abgibt. In einer Ausgestaltung kann das Behälterinnere einen Ablagekörper umfassen, der durch elektromagnetische Induktion und/oder elektromagnetische Strahlung erwärmt werden kann.
• Alternativ oder zusätzlich können die innere Faserlage und die äußere Faserlage verschiedene Matrixmaterialien aufweisen, die derart ausgebildet sein können, dass sie in den unterschiedlichen Zeitintervallen aushärten. Während der Herstellung des Druckbehälters können die Verstärkungsfasern beispielsweise in unterschiedlichen Matrixmaterialien getränkt werden.
• Andererseits erfolgt jedoch die Herstellung besonders bevorzugt in einem Prozess ohne Wiederholungen, also nur durch eine einmalige Faserablage, gefolgt von einem einmaligen Aushärten. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die beschränkte Wärmeleitfähigkeit der Matrix (die sowohl im unausgehärteten Zustand, als auch im ausgehärteten Zustand besteht) genutzt wird. Erhitzt man nun den Behälter von innen (z.B. durch Befüllen mit Hydraulikflüssigkeit, die zur Aushärtung im Vergleich zu Umgebungstemperatur bzw. Druckbehälteraußenseite eine erhöhte Temperatur aufweist) während die Behälteraußenseite weniger als von innen erhitzt, gar nicht erhitzt oder sogar gekühlt wird, dann wird in der Behälterwand ein Temperaturgefälle von innen nach außen entstehen. Dementsprechend wird in den inneren Behälterschichten die Aushärtung bereits erfolgen, in den äußeren Behälterschichten jedoch noch nicht (=Aushärtung in unterschiedlichen Zeitintervallen). Über die Zeit gesehen, wird nach und nach die Aushärtung von innen nach außen erfolgen. Diese zeitliche Abhängigkeit der Aushärtung der einzelnen Schichten lässt sich nutzen indem die Verstreckung zeitlich unterschiedlich erfolgt. Insbesondere kann deshalb für die Aushärtung der inneren Lagen ein geringerer Innendruck herrschen (insbesondere bis Verstärkungsfasern der inneren Lagen fixiert sind) und später für die Aushärtung der mittleren und schließlich der äußeren Lagen entsprechend gesteigert werden. Das zeitlich versetzte Aushärten der einzelnen Schichten in unterschiedlichen Zeitintervallen lässt sich durch die Wahl der Harz- und Härter-Bestandteile vom Matrixmaterial optimieren (unterschiedliche Reaktionskinetik). Ebenso kann der aufeinander abgestimmte zeitliche Verlauf der Innentemperatur und der Außentemperatur den Prozess noch verbessern. So ist denkbar die Innentemperatur von einer hohen Temperatur langsam abzusenken, während gleichzeitig die Außentemperatur von einer niedrigen Temperatur langsam erhöht wird, um das „Durchwandern“ der Zone mit der Aushärtungstemperatur von außen nach innen durch die Behälterwand zu fördern. Für die detaillierte Ausgestaltung helfen Experimente und Thermo-Simulationen. Mit anderen Worten wird durch die Temperaturrandbedingungen eine Temperaturwelle von innen nach außen durch die Behälterwand getrieben, die eine von innen nach außen wandernde Aushärtungszone bewirkt. Durch einen zeitgleich steigenden Innendruck werden die Verstärkungsfasern von innen nach außen in einem immer stärker verstreckten Zustand „fixiert“.
• Vorteilhaft kann in einem so hergestellten Druckbehälter das Potenzial der Verstärkungsfasern besser ausgenutzt werden, indem diese gleichmäßiger mechanisch belastet werden. Bei gleichem Materialeinsatz kann sich Festigkeit und/oder Zyklenbeständigkeit verbessern. Es besteht eine Möglichkeit zur Materialeinsparung ohne Festigkeitseinbußen, mit geringeren Wandstärken, geringeren Kosten und/oder höherem Speichervolumen bei gleichem Bauraum.
• Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Querschnittsansicht durch den hier offenbarten Druckbehälter 100
• 2 eine schematische Ansicht einer inneren Faserlage 122; und
• 3 eine schematische Ansicht einer äußeren Faserlage 126;
• Je stärker der Verlauf einer Verstärkungsfaser gestreckt bzw. verstreckt ist, desto näher verläuft sie an einer Ideallinie 10 oder angenähert an einen Idealverlauf. Diese Ideallinie 10 entspricht bei einem gewickelten Behälter typischerweise auch der Geodäte (vgl. 2 und 3). Eine wenig verstreckte Verstärkungsfaser 122 verläuft dagegen lediglich in grober Annäherung um eine Ideallinie 10 herum. Typischerweise wird sie an den meisten (oder gar an allen) Stellen eine seitliche Abweichung A₁₂₂ von der Ideallinie 10 aufweisen. Addiert man abschnittsweise die Beträge der seitlichen Abweichungen A₁₂₂ von der Ideallinie 10, dann erhält man einen nichtverschwindenden Wert, d.h. ungleich Null. Addiert man dagegen abschnittsweise die Vektoren der seitlichen Abweichungen A₁₂₂ von der Ideallinie 10, dann addieren sich diese im Mittel zu Null. Letzteres ist Ausdruck dafür, dass die Abweichungen um die Ideallinie 10 herum erfolgen.
• Ein zweidimensionales Beispiel hierfür wäre eine Sinuskurve, die nur an wenigen Punkten die Mittellinie schneidet, im Mittel jedoch auf dieser Mittellinie liegt. Ein dreidimensionales Beispiel wäre eine Helixkurve. Diese hat eine seitliche Abweichung von der Mittellinie. Die seitliche Abweichung hat hier (vektoriell betrachtet) einen konstanten Betrag, aber ändert beständig ihre Richtung. Im Mittel liegt die Helixkurve auf ihrer Mittellinie, interessanterweise ohne diese Mittellinie jemals zu schneiden oder zu berühren. In der technischen Wirklichkeit werden die seitlichen Abweichungen A₁₂₂ , A₁₂₆ von der Ideallinie 10 in der Regel nicht die Gleichmäßigkeit mathematischer Funktionen haben, sondern statistische Unregelmäßigkeiten aufweisen.
• In der 3 wird der Fall einer stark verstreckten äußeren Verstärkungsfaser 126 betrachtet, die nahe an einer Ideallinie 10 verläuft. Eine Zugbelastung Z₁₂₆ der Verstärkungsfaser 126 entlang dieser Ideallinie 10 wird (unterstützt durch die Einbettung der Verstärkungsfaser 126 in die umgebende Matrix und die benachbarten Verstärkungsfasern) also direkt eine Dehnung der Verstärkungsfaser 126 bewirken, aber den Verlauf der Verstärkungsfaser 126 im Wesentlichen nicht verändern. Bei einer entsprechend hohen Grundsteifigkeit der Verstärkungsfaser 126 an sich, wird sich aufgrund des verstreckten Faserverlaufs 126 also eine hohe Zugsteifigkeit für Belastungen entlang des Idealverlaufs ergeben.
• In der 2 wird der Fall einer weniger verstreckten inneren Verstärkungsfaser 122 betrachtet. Eine wenig verstreckte Verstärkungsfaser 122 verläuft verglichen mit der stärker verstreckten Verstärkungsfaser 126 lediglich in grober Annäherung um eine Ideallinie 10 herum. Im Mittel wird sie eine seitliche Abweichung A₁₂₂ von der Ideallinie 10 aufweisen, die größer ist als die Abweichung A₁₂₆ der stärker verstreckten äußeren Verstärkungsfaser 126. Eine Zugbelastung Z₁₂₂ dieser Verstärkungsfaser 122 entlang der Ideallinie 10 wird neben einer Dehnung der Verstärkungsfaser 122 deshalb vor allem auch bewirken, dass die Verstärkungsfaser versucht ihren Verlauf zu optimieren, sich also zu strecken und so auszurichten, dass die seitlichen Abweichungen A₁₂₂ zur Ideallinie 10 minimiert werden. Neben der bereits erwähnten Einbettung der Verstärkungsfaser 122 in die umgebende Matrix und die benachbarten Verstärkungsfasern wirkt hier auch unterstützend, dass die seitlichen Abweichungen A₁₂₂ von der Ideallinie 10 relativ klein sind verglichen mit dem Krümmungsradius der Ideallinie 10. Die wenig verstreckte Verstärkungsfaser 122 wird bei Zugbelastungen Z₁₂₂ in Idealrichtung 10 weniger steif reagieren, als die stärker verstreckte Verstärkungsfaser 126. Neben dem oben beschriebenen Mechanismus der Annäherung an die Ideallinie 10 bei Zugbelastung Z₁₂₂ , Z₁₂₆ entlang der Ideallinie 10 gibt es noch einen weiteren Grund für die geringe Steifigkeit der wenig verstreckten Verstärkungsfaser 122 gegenüber der stärker verstreckten Verstärkungsfaser 126: über einen bestimmten Abschnitt betrachtet wird die wenig verstreckte Verstärkungsfaser 122 eine größere Länge haben als die stärker verstreckte Verstärkungsfaser 126. Die Ursache liegt an den unterschiedlichen seitlichen Abweichungen A₁₂₂ , A₁₂₆ von der Ideallinie 10. Diese stellen quasi einen „Umweg“ für die Verstärkungsfaser gegenüber der Ideallinie 10 dar, der auch mit der „Crimp Percentage“ ausgedrückt werden kann. Versucht man nun zwei vom Verstärkungsfasermaterial her gleich steife Verstärkungsfasern um den gleichen absoluten Betrag zu dehnen, so entsteht bei der längeren Verstärkungsfaser 122 die geringere Kraft, sie ist also scheinbar weniger steif.
• Die seitlichen Abweichungen A₁₂₂ , A₁₂₆ wurden in den 1, 2 und 3 zu besseren Sichtbarkeit stark übertrieben dargestellt. Das Druckbehälterinnere kann beispielsweise das Innenvolumen selbst sein, dass später das Brennstoffspeichervolumen ausbildet, oder aber der Liner, sofern ein Liner vorgesehen ist.
• Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

10

Ideallinie

A₁₂₂, A₁₂₆

seitlicher Abstand der Faser von der Ideallinie

Z₁₂₂, Z₁₂₆

Zugbelastung entlang der Ideallinie

122

wenig verstreckte Faser

124

mittel verstreckte Faser

126

stark verstreckte Faser

100

Druckbehälter

110

Ablagekörper

120

faserverstärkte Schicht

122

innere Faserlage

124

mittlere Faserlage

126

äußere Faserlage

130

Außenseite der Druckbehälterwand

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102016204990 [0014]

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters (100) mit mindestens einer faserverstärkten Schicht (120), wobei die faserverstärkte Schicht (120) mehrere Faserlagen (122, 126) aufweist, umfassend den Schritt: Aufbringen der mehreren Faserlagen (122, 126), wobei mindestens zwei Faserlagen (122, 126) unterschiedlich verstreckt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine äußere Faserlage (126) eine innere Faserlage (122) zumindest bereichsweise umgibt, und wobei die äußere Faserlage (126) stärker verstreckt werden als die innere Faserlage (122).
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei beim Aushärten der äußeren Faserlage (126) der Druckbehälter (100) mit einem anderen Innendruck (Pi) beaufschlagt wird und/oder ein Ablagekörper einen anderen Radius aufweist als beim Aushärten der inneren Faserlage (122).
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Verstärkungsfasern der inneren Faserlage (122) zumindest teilweise stärker verdrillt sind als Verstärkungsfasern der äußeren Faserlage (126).
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei während der Ablage von Verstärkungsfasern der äußeren Faserlage (126) eine Faserablageeinrichtung mehr Zugspannung auf die abzulegenden Verstärkungsfasern ausübt als während der Ablage von Verstärkungsfasern der inneren Faserlage (122).
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei während der Ablage von Verstärkungsfasern der äußeren Faserlage (126) eine Faserablageeinrichtung weniger schwingt als während der Ablage von Verstärkungsfasern der inneren Faserlage (122).
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die faserverstärkte Schicht (120) gewickelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verstärkungsfasern der faserverstärkten Schicht (120) auf der Innenseite einer bereitgestellten Außenkontur abgelegt werden.
9. Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff, mit mindestens einer faserverstärkten Schicht (120), wobei die faserverstärkte Schicht (120) mehrere Faserlagen (122, 126) aufweist, wobei mindestens zwei Faserlagen (122, 126) unterschiedlich verstreckt sind, und wobei eine äußere Faserlage (126) eine innere Faserlage (122) zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, umgibt, wobei die äußere Faserlage (126) stärker verstreckt ist als die innere Faserlage (122).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder Druckbehälter nach Anspruch 9, wobei die mehreren Faserlagen (122, 126) Umfangslagen sind.

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