DE102017208542A1 - Method for producing a pressure vessel and pressure vessel - Google Patents
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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. A method of manufacturing a pressure vessel having at least one fiber reinforced layer 120, wherein the fiber reinforced layer 120 comprises a plurality of fiber layers 122, 126 reinforcing fiber, comprising the step of applying the plurality of fiber layers 122, 126, wherein at least two fiber layers 122, 126 are stretched differently.
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.The technology disclosed herein relates to a method of manufacturing a pressure vessel and a pressure vessel. Pressure vessels as such are known in the art. In relatively thick-walled pressure vessels, as used for example for the storage of hydrogen in vehicles, there is an uneven utilization of the reinforcing fibers due to the compression of the container wall with increasing internal pressure. This means that more fiber material must be used than would actually be necessary. More fiber material is associated with increased manufacturing costs, space requirements and weight.
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.It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to suggest an alternative solution. In particular, it is a preferred object of the technology disclosed herein to provide a low-cost, lightweight and / or space-saving pressure vessel. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims are preferred embodiments.
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.The technology disclosed herein relates to a method of manufacturing a pressure vessel. The technology disclosed herein further relates to a pressure vessel (for a motor vehicle (eg passenger cars, motorcycles, commercial vehicles), which may in particular be manufactured according to one of the methods disclosed herein.) The pressure vessel serves to store gaseous fuel under ambient conditions The pressure vessel may be, for example, a cryogenic pressure vessel (= CcH2) or a high-pressure gas vessel (= CGH2) designed to store fuel substantially at ambient temperatures permanently at a nominal operating pressure (also called nominal working pressure or NWP) of about 350 bar (= overpressure relative to the atmospheric pressure), more preferably of about 700 bar or more is suitable to store the fuel at the aforementioned operating pressures even at temperatures that are well below the operating temperature of the motor vehicle.
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.The pressure vessel comprises at least one fiber-reinforced layer. The fiber-reinforced layer may preferably completely surround a liner at least in regions. The fiber reinforced layer is often referred to as a laminate or armor. Hereinafter, the term "fiber-reinforced layer" is usually used. As a fiber reinforced layer i.d.R. Fiber-reinforced plastics (also abbreviated to FVK or FKV), for example carbon fiber reinforced plastics (CFRP) and / or glass fiber reinforced plastics (GRP). The fiber-reinforced layer suitably comprises reinforcing fibers embedded in a plastic matrix. In particular, matrix material, type and proportion of reinforcing fibers and their orientation can be varied so that the desired mechanical and / or chemical properties are established. Preferably, continuous fibers are used as reinforcing fibers, which can be applied by winding and / or braiding. The fiber reinforced layer has i.d.R. several layers on.
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.The fiber reinforced layer has multiple fiber layers. The multiple fiber layers may be circumferential layers. The fiber reinforced layer has i.d.R. Cross and peripheral layers on. In order to compensate for axial stresses, cross layers (helical layers) are wound or braided over the entire winding core surface. In the i.d.R. cylindrical peripheral area are i.d.R. so-called "hoop layers", which provide for a reinforcement in the circumferential direction. The circumferential positions extend in the circumferential direction U of the pressure vessel and are oriented at an angle of about 90 ° (+/- 5 °) to the pressure vessel longitudinal axis A-A. In particular, the fiber-reinforced layer may comprise an outer fiber layer, which surrounds an inner fiber layer at least regionally, preferably completely. The outer fiber layer can thus be arranged further out than the inner fiber layer.
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.The pressure vessel may include a liner. The liner forms the hollow body in which the fuel is stored. The liner may for example be made of aluminum or steel or of their alloys. Further preferably, the liner may be made of a plastic. Preferably, the liner serves as a storage body for the reinforcing fibers of the fiber-reinforced layer. It may also be provided a linerless pressure vessel.
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 FaserlageThe technology disclosed here is based on the idea that in prior art pressure vessels, the inner layers are more heavily loaded at the same internal pressure as the outer layers. As a result, the material used is not exploited as it would be possible and it is used more material than would actually be necessary. In order to make the stress of the reinforcing fibers in the circumferential direction for different layers more uniform (in particular for pressures in the Range of bursting pressure), the outer (peripheral) layers are to be deposited with a correspondingly more stretched or stretched course, as the inner (peripheral) layers. According to the invention, therefore, different layers are to be stretched to varying degrees. In particular, the outer (circumferential) layers should be stretched more than the inner peripheral layers. Accordingly, the method disclosed herein comprises the step of applying the plurality of fiber layers, wherein at least two fiber layers are stretched differently. In particular, the outer fiber layer can be stretched more than the inner fiber layer
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“.
- c
- die Crimp Percentage;
- I
- die nicht gewellte bzw. verkräuselte Länge der Verstärkungsfaser; und
- p
- die gewellte bzw. verkräuselte Länge der Verstärkungsfaser ist.
- c
- the crimp percentage;
- I
- the undulated or crimped length of the reinforcing fiber; and
- p
- is the corrugated length of the reinforcing fiber.
Gleichsam kann der Kehrwert von C als Maß herangezogen werden. Ferner kann die Summe der Beträge aller seitlichen Abweichung
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.Between the liner and the fiber-reinforced layer, a transport layer (English: breather layer) may be provided. The transport layer may in particular be designed to be permeable to gas in such a way that fuel diffused through the liner can flow into other regions, for example in the direction of the ends of the pressure vessel. For this purpose, the transport layer can form, for example, microchannels or microcolumns. However, such a transport layer does not have to be provided. This transport layer can then form the boundary layer between liner and fiber-reinforced layer disclosed here.
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.The transport layer itself and / or the liner may have a corrugated structure at least in some areas, preferably in a cylindrical middle part, the inner fiber layer being more conformed to the corrugated structure than the outer fiber layer.
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.Preferably, both the inner fiber layer and the outer fiber layer are wound. Particularly preferred all fiber layers are wound. It is also conceivable that some or all layers are braided.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten die Verstreckung der Verstärkungsfasern zu variieren, die jeweils einzeln oder in Kombination miteinander genutzt werden können.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- a. The fibers can be stored with different tensile force (eg wound). The higher tensile force causes a stronger draft and vice versa. During the deposition of reinforcing fibers of the outer fiber layer, a fiber depositing device can exert a higher tensile stress on the reinforcing fibers to be deposited than during the deposition of reinforcing fibers of the inner fiber layer.
- b. The reinforcing fibers and / or fiber bundles can be twisted to varying degrees. A strong twist corresponds to a slightly stretched course and vice versa. The reinforcing fibers of the inner fiber layer may be at least partially more twisted than reinforcing fibers of the outer fiber layer.
- c. The winding head can perform vibrations or vibrations perpendicular to the grain during storage. The greater the amplitude and the frequency of the vibrations or the vibrations in the tray, the lower stretched the reinforcing fibers are stored and vice versa. During the deposition of reinforcing fibers of the outer fibrous layer, a fiber depositing device may oscillate less than during the deposition of reinforcing fibers of the inner fibrous layer.
- d. The radius of the storage body (in particular bobbin) can be varied. In particular, different radii for fiber deposition and curing can be used. During curing, the state of stretching of the reinforcing fibers is then quasi "frozen". Preferably, a (plastic) liner, which is used as a winding body, be subjected to internal pressure. If the deposit takes place at a certain internal pressure and the subsequent curing takes place at a contrast increased internal pressure, this causes a stretching of the reinforcing fibers. When curing the outer fiber layer of the pressure vessel can be acted upon with a different internal pressure and / or the storage body have a different radius than when curing the inner fiber layer. On the one hand, this can be achieved by a step-by-step production process, in which fiber deposition and curing take place sequentially one after the other for the individual layers.
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
- 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.
- Method for producing a pressure vessel for storing fuel, comprising the steps:
- - Provide an outer contour, and
- - depositing reinforcing fibers of the fiber-reinforced layer of the pressure vessel on the inside of the outer contour.
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.Except in a staged manufacturing process in which fiber deposition and curing are carried out sequentially for the individual layers sequentially, there is still another method in which initially the complete fiber deposition takes place, which is very favorable in terms of production technology. The technology disclosed here relates, as it were, to a process for the production of a pressure vessel in which, after fiber deposition, the inner fiber layer and the outer fiber layer are cured at different time intervals. In the different time intervals, the container interior can be subjected to different internal pressures. Thus, in the different time intervals, the radius of the deposition body and thus the state of stretching, which is "frozen" or fixed during curing, may be different.
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.The term "curing" in the context of this patent application means that the matrix material is transferred from a liquid state to such a solid state that the matrix material fixes the position of the reinforcing fibers. If the matrix material is a thermoset, the material is converted into the solid state by chemical crosslinking. However, if the matrix material is a thermoplastic, the material passes into the solid state by cooling or solidifying.
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.The time intervals are different and offset in time. They can overlap easily. Preferably, the curing of inner fiber layer and outer fiber layer take place successively.
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.For example, the amount of the pressure difference from the internal pressure during the curing of the outer fiber layer compared to the internal pressure during curing of the inner fiber layer may be at least 2 bar, or at least 20 bar, or at least 200 bar.
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.Particularly preferably, first the outer fiber layer is cured and offset in time later, the inner fiber layer is cured. The internal pressure during the curing of the outer fiber layer may be higher than during the curing of the inner fiber layer. It can thereby be achieved that first the reinforcing fibers of the outer fiber layer are fixed by the matrix material, wherein at the same time the reinforcing fibers of the inner fibers are not fixed. If the internal pressure is reduced even before the inner fiber layer hardens, the pressure vessel contracts. As a result, the reinforcing fibers of the inner fiber layer are less stretched or curled or curled. In this state, the reinforcing fibers of the inner fiber layer are now fixed in the temporally offset time interval.
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.Alternatively it can be provided that first the inner fiber layer is cured and temporally offset later the outer fiber layer is cured. The internal pressure may be higher during the curing of the outer fiber layer than during the curing of the inner fiber layer. As it is achieved by the fact that the matrix material the Reinforcing fibers of the outer fiber ply fixed in a more stretched state than the matrix material fixed reinforcing fibers of the inner fiber ply.
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.For this purpose, it can be provided that the inner fiber layer is heated more strongly than the outer fiber layer. According to the method disclosed herein it can be provided that the container interior is heated to an internal temperature which is higher than the outside temperature immediately outside the pressure vessel to be produced. The temperature difference between the inside temperature and the outside temperature can be at least 30 K, at least 50 K or at least 100 K. Furthermore, it can be provided that the environment is cooled immediately outside the pressure vessel during curing. In one embodiment it can be provided that the container interior is filled with a liquid. If the interior of the container is filled with a liquid, the change from the radius of the storage body can be varied more accurately than with a compressible gas. Particularly preferably, the liquid can be heated, so that the liquid emits heat energy from the container interior to the fiber-reinforced layer. In one embodiment, the container interior may comprise a storage body that can be heated by electromagnetic induction and / or electromagnetic radiation.
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. Alternatively or additionally, the inner fiber layer and the outer fiber layer may comprise various matrix materials which may be formed to cure at the different time intervals.
Während der Herstellung des Druckbehälters können die Verstärkungsfasern beispielsweise in unterschiedlichen Matrixmaterialien getränkt werden.During the manufacture of the pressure vessel, the reinforcing fibers may be soaked in different matrix materials, for example.
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“.On the other hand, however, the production is particularly preferably carried out in a process without repetitions, ie only by a single fiber deposition, followed by a single curing. This can be achieved, for example, by taking advantage of the limited thermal conductivity of the matrix (which exists both in the uncured state and in the cured state). If the container is heated from the inside (eg by filling with hydraulic fluid, which has an elevated temperature for curing compared to the ambient temperature or pressure vessel outside) while the container outside is heated less than from the inside, not heated or even cooled, then in the Container wall, a temperature gradient arising from the inside out. Accordingly, curing will already take place in the inner container layers, but not yet in the outer container layers (= curing at different time intervals). Over time, the hardening will gradually take place from the inside to the outside. This temporal dependence of the curing of the individual layers can be used by the stretching takes place temporally differently. In particular, therefore, for the curing of the inner layers a lower internal pressure prevail (especially are fixed to reinforcing fibers of the inner layers) and later increased accordingly for the curing of the middle and finally the outer layers. The staggered curing of the individual layers at different time intervals can be optimized by selecting the resin and hardener components of the matrix material (different reaction kinetics). Similarly, the coordinated timing of the internal temperature and the outside temperature can improve the process even more. Thus, it is conceivable to slowly lower the inside temperature from a high temperature while at the same time slowly raising the outside temperature from a low temperature to promote the "wandering" of the zone with the curing temperature from outside to inside through the vessel wall. For detailed design, experiments and thermal simulations help.
In other words, the temperature boundary conditions drive a temperature wave from the inside to the outside through the container wall, which causes a curing zone that migrates from the inside to the outside. By simultaneously increasing internal pressure, the reinforcing fibers are "fixed" from the inside to the outside in an increasingly stretched state.
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.Advantageously, the potential of the reinforcing fibers can be better utilized in a pressure vessel thus produced by these are mechanically loaded uniformly. For the same material use, strength and / or cycle stability can improve. There is a possibility for material savings without loss of strength, with lower wall thicknesses, lower costs and / or higher storage volume with the same space.
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 Faserlage122 ; und -
3 eine schematische Ansicht einer äußeren Faserlage126 ;
-
1 a schematic cross-sectional view through thepressure vessel 100 disclosed herein -
2 a schematic view of aninner fiber layer 122 ; and -
3 a schematic view of anouter fiber layer 126 ;
Je stärker der Verlauf einer Verstärkungsfaser gestreckt bzw. verstreckt ist, desto näher verläuft sie an einer Ideallinie
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
In der
In der
Die seitlichen Abweichungen
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.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Ideallinieideal line
- A122, A126 A 122 , A 126
- seitlicher Abstand der Faser von der Ideallinielateral distance of the fiber from the ideal line
- Z122, Z126 Z 122 , Z 126
- Zugbelastung entlang der IdeallinieTensile load along the ideal line
- 122122
- wenig verstreckte Faserlittle stretched fiber
- 124124
- mittel verstreckte Fasermedium stretched fiber
- 126126
- stark verstreckte Faserheavily drawn fiber
- 100 100
- Druckbehälterpressure vessel
- 110110
- Ablagekörpershelf body
- 120120
- faserverstärkte Schichtfiber reinforced layer
- 122122
- innere Faserlageinner fiber layer
- 124124
- mittlere Faserlagemiddle fiber layer
- 126126
- äußere Faserlageouter fiber layer
- 130130
- Außenseite der DruckbehälterwandOutside of the pressure vessel wall
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102016204990 [0014]DE 102016204990 [0014]
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---|---|---|---|
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