DE102017219380B4 - Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters (100), umfassend die Schritte:- Befestigen von zwei Endstücken (112, 114) des Druckbehälters (100) an eine Maschine zum Ablegen von Verstärkungsfasern; und- Ausbilden einer Ablagekontur (122) für weitere Faserlagen einer faserverstärkten Schicht (120) durch Ablegen von Verstärkungsfasern auf die beiden Endstücke (112, 114);wobei die beiden Endstücke (112, 114) während des Ablegens der Verstärkungsfasern beabstandet voneinander angeordnet sind; wobei zwischen den Endstücken (112, 114) keine Ablageoberfläche vorgesehen ist, auf die die Verstärkungsfasern zur Ausbildung der Ablagekontur (122) abgelegt werden; und wobei sich die abgelegten Verstärkungsfasern zur Ausbildung der Ablagekontur (122) von dem einen Endstück (112) zu dem anderen Endstück (114) erstrecken.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters. Druckbehälter als solche sind bekannt. Druckbehälter werden in der Regel in einem Wickelprozess hergestellt, bei dem ein Liner mit faserverstärktem Kunststoff umwickelt wird. Die Liner selbst tragen nur in sehr geringem Maße zur strukturellen Bauteilfestigkeit bei. Es sind daher Anwendungen für Druckbehälter vorstellbar, bei denen ein Liner nicht erforderlich ist. Für diese Fälle stellt der Liner einen verlorenen Kern dar, der neben dem Bauraumverlust auch zu einer Gewichtszunahme des Druckbehälters führt. Für die Herstellung des Liners wird ein Werkzeug benötigt. Es kann sich hierbei um ein Rotomoulding-, Spritzguss- oder Blasformwerkzeug handeln. Diese Sonderbetriebsmittel, die eine bestimmte Lebensdauer haben, sind Quellen für zusätzliche Kosten in der Fertigung.
  • 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, Herstellkosten, Bauraumbedarf, und/oder Gewicht eines Druckbehälters zu reduzieren bzw. die Speicherkapazität bei gleichem Bauraum zu erhöhen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, insbesondere ein Druckbehälter für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge). 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 ein composite overwrapped pressure vessel (=COPV) sein. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2 oder COP) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, 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.
  • Das Verfahren umfasst die Schritte:
    • - Befestigen von zwei Endstücken des Druckbehälters an eine Maschine zum Ablegen von Verstärkungsfasern; und
    • - Ausbilden einer Ablagekontur für weitere Faserlagen einer faserverstärkten Schicht durch Ablegen von Verstärkungsfasern, insbesondere von Endlosfasern, auf die beiden Endstücke.
  • Die beiden Endstücke sind während des Ablegens der Verstärkungsfasern beabstandet zueinander angeordnet. Zwischen den Endstücken ist keine Ablageoberfläche vorgesehen, auf die die Verstärkungsfasern zur Ausbildung der Ablagekontur abgelegt werden bzw. werden können. Die abgelegten Verstärkungsfasern zur Ausbildung der Ablagekontur erstrecken sich von dem einen Endstück zu dem anderen Endstück.
  • Eine Maschine zum Ablegen von Verstärkungsfasern, insbesondere von Endlosfasern, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Eine solche Maschine ist beispielsweise eine Wickelmaschine oder eine Flechtmaschine oder eine Kombination aus einer Wickelmaschine und einer Flechtmaschine. Das Ablegen von Kunststoffasern umfasst insbesondere die Herstellung der faserverstärkten Schicht durch Flechten und/oder Wickeln von Verstärkungsfasern.
  • Die Befestigung der Endstücke kann auf jede geeignete Weise erfolgen, beispielsweise durch ein geeignetes Spannfutter der Maschine.
  • Der Druckbehälter umfasst i.d.R. zwei Endstücke. In mindestens einem Endstück, bevorzugt in beiden Endstücken, kann eine Druckbehälteröffnung vorgesehen sein. In zumindest einer Druckbehälteröffnung kann ein Tankabsperrventil eingesetzt sein. Bevorzugt weist zumindest ein Endstück ein Gewinde auf zur Befestigung von weiteren Komponenten wie beispielsweise das Tankabsperrventil. Bevorzugt kann das mindestens eine Endstück aus Metall oder einer Metalllegierung hergestellt sein. Besonders bevorzugt ist das mindestens eine Endstück aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Beispielsweise kann ein solches Endstück ein Boss sein. Das Endstück dient u.a. zur Anbindung von externen Komponenten im Endbereich des Druckbehälters. Besonders bevorzugt erstrecken sich die Endstücke hier von der Druckbehälterlängsachse A-A bis zum Mittelbereich M des Druckbehälters. Der Mittelbereich M ist dabei der Bereich, in dem der Druckbehälter einen im Wesentlichen konstanten, maximalen Tankinnendurchmesser aufweist. Im Mittelbereich M weist der Druckbehälter in der Regel eine Mantelfläche auf.
  • Insbesondere werden die voneinander separaten Endstücke koaxial eingespannt, ohne dass die Endstücke über einen Ablegekern (d.h. Wickelkern und/oder Flechtkern) miteinander verbunden sind. Ein solcher Ablegekern wäre beispielsweise ein herkömmlicher Liner oder ein nach der Herstellung entfernbarer Kern. Mit anderen Worten sind also die Endstücke vor bzw. während der Herstellung der Ablagekontur bzw. der hier offenbarten faserverstärkten Schicht nicht über einen Liner miteinander verbunden. Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird kein Ablegekern bereitgestellt, sondern stattdessen wird der Ablegekern durch Verstärkungsfasern mittels der Maschine zum Ablegen selbst ausgebildet. Ein solcher Ablegekern aus Verstärkungsfasern wird hier als Ablagekontur bezeichnet und dient als Ablegekern für die restlichen Lagen der faserverstärkten Schicht.
  • Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird die Ablagekontur für weitere Faserlagen der faserverstärkten Schicht ausgebildet, indem Verstärkungsfasern, insbesondere Endlosfasern, auf die beiden Endstücke abgelegt werden, wobei die abgelegten Verstärkungsfasern die beiden Endstücke miteinander verbinden.
  • Die beiden Endstücke sind während des Ablegens der Verstärkungsfasern beabstandet voneinander angeordnet. Zwischen den Endstücken ist keine Ablageoberfläche eines Ablegekerns vorgesehen, auf die die Verstärkungsfasern zur Ausbildung der Ablagekontur abgelegt werden. Zwischen den beiden Endstücken verlaufen zumindest einige Verstärkungsfasern frei und werden ausschließlich durch die Endstücke gehalten. Bevorzugt bilden also in einem Mittelbereich des Druckbehälters die Verstärkungsfasern der Ablagekontur die Innenwandung des Druckbehälters aus. Besonders bevorzugt werden zur Ausbildung der Ablagekontur Endlosfasern jeweils abwechselnd auf der Oberfläche der beiden Endstücke abgelegt.
  • Mit anderen Worten kann also die Ablagekontur eine Faserlage umfassen, die sich über den Mittelbereich M und zumindest bereichsweise über beide Endstücke des Druckbehälters erstreckt. Der Mittelbereich M ist dabei bevorzugt ein zylindrischer Bereich bzw. Mantelbereich mit zylindrischen oder elliptischen Querschnitt senkrecht zur Druckbehälterlängsachse. An den beiden Seiten des Mittelbereich M schließt sich jeweils ein Endbereich des Druckbehälters an, in dem die Endstücke vorgesehen sind.
  • Der Druckbehälter umfasst mindestens eine faserverstärkte Schicht. Die faserverstärkte Schicht kann die Ablagekontur zumindest bereichsweise bevorzugt vollständig umgeben bzw. diese mit ausbilden. 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 (=FVK bzw. FKV oder carbon fibre reinforced plastics bzw. CFRP) 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 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 Faserwinkel von ca. 90° (+/- 5°) zur Druckbehälterlängsachse A-A orientiert. Die Kreuzlagen weisen geringe Faserwinkel auf. Die Axiallagen bzw. Nullagen sind Faserlagen, deren Verstärkungsfasern in einem Faserwinkel von ca. 0° zur Druckbehälterlängsachse A-A angeordnet sind.
  • Der Faserwinkel FW gibt an, in welchem Winkel die Verstärkungsfasern relativ zur Druckbehälterlängsachse A-A orientiert sind. Werden die Fasern im Wickelverfahren abgelegt, so wird dieser Winkel auch als Wickelwinkel bezeichnet. Im Flechtverfahren wird entsprechend die Bezeichnung Flechtwinkel verwendet. Ganz allgemein könnte man auch vom Ablagewinkel sprechen. Der Faserwinkel ist somit der Komplementärwinkel zu dem Winkel, den die Verstärkungsfasern mit der Umfangsrichtung ausbilden.
  • Eine Vielzahl an einzelnen Verstärkungsfasern (auch (Einzel)Filamente genannt) wird vor der Fertigung des Druckbehälters zu einem Roving bzw. Faden zusammengefasst. Beispielsweise können 12.000 oder 24.000 oder 50.000 Einzelfilamente zu einem Roving zusammen gefasst sein, diese werden dann jeweils entsprechend als 12k, 24k und 50k-Rovings bezeichnet. Die Rovings weisen in der Regel elliptische oder rechteckige Querschnitte auf. Die einzelnen Filamente eines Rovings weisen in der Regel eine Schlichte zur Haftverbesserung auf. Rovings werden zweckmäßig nach ihrer Herstellung auf Rovingspulen mit Außenabzug oder Innenabzug aufgewickelt. Zweckmäßig werden gemäß dem hier offenbarten Verfahren die Verstärkungsfasern zur Ausbildung der Ablagekontur als Rovings abgelegt.
  • Besonders bevorzugt kann mindestens eine Faserlage die Ablagekontur ausbilden. Besonders bevorzugt bildet mindestens eine Kreuzlage oder mindestens eine Axiallage die Ablagekontur aus
  • Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach direkt oder indirekt mindestens eine Umfangslage zur Ausbildung der faserverstärkten Schicht auf die Ablagekontur aufgebracht wird. D.h. die Umfangslage kann direkt auf der Ablagekontur aufgebracht werden, oder aber die Umfangslage wird auf eine andere die Ablagekontur bedeckende Schicht bzw. Lage aufgebracht.
  • Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach die Umfangslage erst aufgebracht wird, nachdem die Ablagekontur selbst eine Eigensteifigkeit erlangt hat, die ein Ablegen von Verstärkungsfasern zur Ausbildung der Umfangslage zulässt. Mit dem Begriff „Eigensteifigkeit“ ist gemäß der hier offenbarten Technologie die Steifigkeit der Ablagekontur selbst gemeint, die aus den abgelegten Verstärkungsfasern und dem die Verstärkungsfasern umgebende Harzmaterial selbst resultiert ohne zusätzlich versteifende Maßnahmen, wie beispielsweise eine Innendruckbeaufschlagung oder mechanischen Stützen. Die Eigensteifigkeit der Ablagekontur wird u.a. beeinflusst von den verwendeten Verstärkungsfasern, dem Harzmaterial, der Schichtdicke der Ablagekontur und der Aushärtzeit. Die Eigensteifigkeit kann durch Versuche einfach ermittelt werden und ist dem Fachmann bekannt.
  • Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach zumindest während der Ausbildung und/oder Aushärtung der Ablagekontur die Relativposition der beiden Endstücke zueinander, insbesondere deren Abstand in axialer Richtung entlang der Druckbehälterlängsachse, fixiert wird bzw. konstant ist. Es kommen also bevorzugt keine Wickelmaschinen mit einer Festlager-Loslager Aufhängung zum Einsatz. Vorteilhaft werden zumindest während der Ausbildung und/oder Aushärtung der Ablagekontur die Verstärkungsfasern zumindest im Mittenbereich auf Zug beansprucht bzw. vorgespannt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die beiden Endstücke während der Ausbildung und/oder Aushärtung der Ablagekontur über mindestens ein Verbindungselement drehfest miteinander verbunden. Vorteilhaft weist das Verbindungselement keine Ablageoberfläche für Verstärkungsfasern auf. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das mindestens eine Verbindungselement koaxial zur Druckbehälterlängsachse angeordnet. Beispielsweise kann das Verbindungselement eine Stange sein. Ferner kann das Verbindungselement zumindest bereichsweise in eine oder zwei Druckbehälteröffnung eingeführt sein. Beispielsweise kann das Verbindungselement mit einem oder beiden Endstücken verschraubt sein. Besonders vorteilhaft ragt das Verbindungselement in radialer Richtung nicht über die Ränder der Endstücke hervor.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die zur Ausbildung der Ablagekontur abgelegten Verstärkungsfasern vorimprägnierte Fasern. Besonders bevorzugt kommen Rovings oder Towpregs zum Einsatz. Solche vorimprägnierte Fasern weisen eine vergleichsweise hohe Steifigkeit bereits im Ausgangszustand vor der Verarbeitung/Ablage der Fasern auf. Sie sind daher i.d.R. besser verarbeitbar und genauer auch im Mittelbereich M positionierbar. Ferner haften vorimprägnierte Fasern besser an den Endstücken, was insbesondere den Start der Bewicklung vereinfacht. Bevorzugt wird als Matrixmaterial Epoxidharz eingesetzt. Ebenso ist denkbar, dass die Ablagekontur aus einem Thermoplast, insbesondere mittels Thermoplastbänder, hergestellt wird. Thermoplastisches Material ist schneller applizierbar und kann bessere Eigenschaften hinsichtlich der Brennstoffpermeabilität aufweisen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist mindestens ein Endstück Umlenkelemente auf. Gemäß dem hier offenbarten Verfahren kann vorgesehen sein, dass zumindest einige Verstärkungsfasern der Ablagekontur um die um Lenkerelemente herum abgelegt werden. Vorteilhaft kann somit zumindest bereichsweise die Ablagekontur aus einer Axiallage ausgebildet werden. Eine solche Axiallage hat den Vorteil, dass sie nicht zum Druckbehälterinneren hin gewölbt ist.
  • Besonders bevorzugt werden die die Ablagekontur ausbildenden Verstärkungsfasern der Ablagekontur in einem Faserwinkel zur Druckbehälterlängsachse abgelegt, der kleiner ist als 20° oder kleiner als 10° oder kleiner als 5° ist.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner eine Maschine zum Ablegen von Verstärkungsfasern zur Ausbildung eines Druckbehälters, insbesondere eine Wickelmaschine und/oder eine Flechtmaschine, umfassend:
    • - zwei Endstückaufnahmen, die eingerichtet sind, jeweils ein Endstück der beiden Endstücke eines Druckbehälters derart aufzunehmen, dass die Endstücken im Wesentlichen koaxial angeordnet sind; und
    • - mindestens einen Antrieb;
    • - wobei beide Endstückaufnahmen durch den mindestens einen Antrieb antreibbar sind;
    • - wobei der eine Antrieb oder die zwei Antriebe bevorzugt eingerichtet sind, beide Endstückaufnahmen synchron anzutreiben; und/oder
    • - wobei die Maschine bevorzugt eingerichtet ist, den Abstand zwischen den Endstückaufnahmen während der Ablage von Verstärkungsfasern konstant zu halten; und/oder
    • - wobei die Maschine bevorzugt eingerichtet ist, sich von einem Endstück zum anderen Endstück hin erstreckende Verstärkungsfasern in axialer Richtung bevorzugt konstant vorzuspannen.
  • Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren, durch das ein Druckbehälter ohne Liner gefertigt werden kann.
  • Dabei wird ein Boss mit Domkontur verwendet, der den gleichen Durchmesser aufweist wie der Tankinnendurchmesser im Mittelbereich. Die Bosse werden an die Wickelachsen eingeschraubt und an der Wickelanlage positioniert. Um beim Wickeln hohe Fadenspannungen aufbringen zu können, können bevorzugt Towpregs verwendet werden.
  • Als erste Lage kann eine Kreuzlage von Boss zu Boss gewickelt werden. Aufgrund der hohen Fadenspannungen kann diese Lage für die nachfolgenden Wickellagen als ein stabiler Wickelkern fungieren. Sollte eine Kreuzlage nicht ausreichen, können weitere Kreuzlagen in den innersten Schichten der faserverstärkten Schicht vorgesehen sein, bis eine stabile Ablage für die nachfolgenden Schichten, unter anderem auch für Umfangslagen, möglich ist. Der Lagenaufbau der faserverstärkten Schicht bestimmt die Festigkeit und Steifigkeit des Behälters sowie dessen Druckbeständigkeit. Hierzu können Endlosfasern in Lagen in unterschiedlichen Richtungen angeordnet sein, um so die durch den hohen Druck entstehenden Kräfte optimal aufzunehmen. Es wird i.d.R. unterschieden in Hoop-Lagen (Umfangslagen), welche in Umfangsrichtung des Druckbehälters orientiert sind, und Helical-Lagen (Kreuzlagen), welche über Kreuz in einem definierten Winkel (=Faserwinkel) gegenüber der Druckbehälterlängsachse (jedoch in axiale Richtung des Behälters orientiert) entlang des Behälters angeordnet sind. Auch denkbar ist, dass nach dem die ersten Kreuzlagen gewickelt wurden, ein erster Aushärteprozess stattfindet, um einen festen Kern für die nachfolgenden Schichten zu erhalten. Dabei ist wichtig, dass der Abstand der Bosse arretiert wird, so dass es zu keinem Verlust der Fadenspannung kommt.
  • Aufgrund der geometrischen Randbedingungen und des fehlenden Zylinders durchdringt eine Kreuzlage, die von Boss zu Boss gewickelt wird, die fiktive Grenze des (fehlenden) Zylinders, was auch als Bauchigkeit bzw. Innenwölbung des zylindrischen Mittelbereich bezeichnet werden kann.
  • Es entsteht eine Abstufung (Zwischenraum), dessen Ausprägung je nach Faserwinkel variiert. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die erste Kreuzlage beispielsweise mit einem Winkel von 10° oder weniger hergestellt. Anschließend wird die Wicklung im Ofen ausgehärtet oder zwischengehärtet. Danach wird der Zwischenraum, der sich aus der ersten Kreuzlage und der Zylinderaußenfläche der Domstücke aufspannt, durch Umfangslagen gefüllt. Danach werden die restlichen Lagen der faserverstärkten Schicht hergestellt und der Tank wird fertig ausgehärtet.
  • Um den entstehenden Zwischenraum zu vermeiden, ist es denkbar, dass 0° Lagen bzw. Axiallagen entlang der Längsachse des Druckbehälters gewickelt werden. Hierzu können als Umlenkelemente Stifte und/oder Bolzen vorgesehen sein, die entlang des Umfangs am Übergang zwischen Dom und (fiktivem) Zylinder angeordnet sein können. Diese Bolzen dienen als Umkehrpunkte für die Fadenablage beim Wickelprozess bzw. Flechtprozess und können so ausgeführt sein, dass sie so klein sind, dass sie im Bauteil bleiben. Alternativ können die Stifte nach dem Wickeln und Zwischenaushärten von zusätzlichen Kreuzlagen mit flachem Winkel, die die Dome bzw. Bosse und die 0° CFK-Lagen in Position halten, abgeschraubt bzw. abgedreht und die Behälterwicklung fortgesetzt werden. Auch Stifte bzw. Bolzen für Umfangslagen im Dombereich vorgesehen sein. Die Endstücke sind bevorzugt aus Metall und besonders bevorzugt aus Aluminium gefertigt.
  • Die hier offenbarte Technologie ermöglicht die Herstellung von einem Druckbehälter, ohne dass ein thermoplastischer Wickelkern erforderlich ist. Mit der hier offenbarten Technologie lässt sich vorteilhaft der Bauraum besser nutzen, das Gewicht reduzieren und/oder Kosten einsparen.
  • Sollte aus Gründen der Gaspermeation ein thermoplastischer Liner gewünscht sein, ist es vorstellbar, dass nach Ablage und Aushärtung der Ablagekontur der Druckbehälter von innen durch eine Permeations-Sperrschicht (z.B. Folie) beschichtet wird. Es ist auch denkbar, dass bei Verwendung von entsprechenden temperaturbeständigen Harzen in der Ablagekontur die ersten gewickelten und ausgehärteten Lagen als Werkzeug für das Rotomoulding- oder Blasformverfahren fungieren können.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Druckbehälters 100;
    • 2 eine weitere schematische Querschnittsansicht eines Druckbehälters 100; und
    • 3 eine weitere schematische Querschnittsansicht eines Druckbehälters 100.
  • Die 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Druckbehälters 100. Der Druckbehälter 100 ist hier symmetrisch zur Druckbehälterlängsachse A-A ausgebildet. Der Druckbehälter 100 umfasst hier ein erstes Endstück 112 und ein zweites Endstück 114, die an gegenüberliegenden Enden P1 , P2 des Druckbehälters 100 vorgesehen sind. Am ersten Endstück 112 ist hier eine Druckbehälteröffnung 132 vorgesehen, in die ein Tankabsperrventil eingeschraubt ist. Die Endstücke 112,114 sind aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Die faserverstärkte Schicht 120 erstreckt sich hier sowohl über die beiden Endstücken 112, 114 in den Endbereichen P1 , P2 als auch über den Mittelbereich M. Der Druckbehälter 100 umfasst keinen Liner, der bei vorbekannten Druckbehältern mit den Endstücken 112, 114 verbunden ist und sich über den Mittelbereich M erstreckt und dort als Wickelkern fungiert. Stattdessen wird mit dem hier offenbarten Verfahren die Ablagekontur 122 (hier nicht gezeigt; vgl. 3) hergestellt, auf die weitere Faserlagen der faserverstärkten Schicht abgelegt werden. Das Druckbehälterinnenvolumen I wird hier also begrenzt durch die beiden Endstücke 112,114 sowie durch die innere Wandlung der faserverstärkten Schicht 120.
  • Lediglich schematisch zur Verdeutlichung des Lagenaufbaus der Ablagekontur 122 sind hier zwei Abschnitte RW1, RW1' von zu einem Roving zusammengefasste Endlosfasern dargestellt. Beispielsweise kann mit der Faserablage am ersten Endstück 112 begonnen werden, wobei zunächst an einem Abschnitt vom ersten Endstück 112 der Roving abgelegt wird bevor dann der Roving über den Mittelbereich M rüber zum zweiten Endstück 114 gelegt wird. In dem Mittelbereich M ist der Rovingabschnitt RW1 zunächst frei schwebend angeordnet bis mit der Ablage am zweiten Endstück 114 begonnen wird. Aufgrund der Vorspannung, mit der der Roving abgelegt wird, ist der Rovingabschnitt RW1 genau positioniert. Anschließend wird das Rovingmaterial auf einem Abschnitt vom zweiten Endstück 114 abgelegt, bevor der weitere Rovingabschnitt RW1' vom zweiten Endstück 114 zum ersten Endstück 112 hin verlegt wird. Die Ablage von Verstärkungsfasern zur Ausbildung einer Kreuzlage sind dem Fachmann bekannt. Der Unterschied gegenüber dem Stand der Technik ist hier, dass zwischen den beiden bis zu dem Mittelbereich M fortgeführten Endstücken 112, 114 keine zylindrische Ablagefläche für die Verstärkungsfasern vorgesehen ist, sondern dass diese im Mittelbereich M schweben. Die Verstärkungsfasern sind hier in einem Faserwinkel FW zu Druckbehälterlängsachse A-A angeordnet. Bevorzugt ist der Betrag vom Faserwinkel möglichst klein. Das zweite Endstück 114 weist hier keine Druckbehälteröffnung auf. Stattdessen ist eine Aufnahme 134 für ein Verbindungselement vorgesehen. Dieser Aufnahme 134 kann beispielsweise ein Gewinde aufweisen. In dieser Aufnahme 134 kann beispielsweise ein koaxial zur Druckbehälterlängsachse A-A angeordnetes Verbindungselement (zum Beispiel eine Verbindungsstange) eingeschraubt werden. Das Verbindungselement kann ferner auch am ersten Endstück 112 befestigt sein. Besonders bevorzugt kann das Verbindungselement nach der Fertigstellung des Druckbehälters durch die Druckbehälteröffnung 132 des ersten Endstücks 112 herausgenommen werden.
  • Die 2 zeigt eine weitere schematische Ansicht eines Druckbehälters 100. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zur Ausgestaltung gemäß der 1 erläutert. In der 2 ist im Mittenbereich M die Ablagekontur 122 durch eine gestrichelt gezeichnete Linie angedeutet. Die Ablagekontur 122 ist hier nach innen gewölbt ausgebildet. Diese in der Querschnittsansicht konkave Wölbung resultiert aus der Tatsache, dass die Fasern der Ablagekontur 122 in einem Faserwinkel FW abgelegt wurden, der größer null ist. Mit anderen Worten wird hier also eine Kreuzlage die Ablagekontur 122 aus. Es entsteht somit ein Zwischenbereich Z zwischen der Ablagekontur 122 und den Umfangsbereich, der durch die Außendurchmesser DE der Endstücke 112, 114 begrenzt wird. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird dieser Zwischenbereich Z mit Umfangslagen ausgefüllt. Diese Umfangslagen werden durch die konkave Wölbung am Verrutschen gehindert. In einer Ausgestaltung kann daher vorgesehen sein, dass diese Umfangslagen einen höheren Fasergehalt aufweisen als sämtliche anderen Lagen der faserverstärkten Schicht. Beispielsweise können diese Umfangslagen im Zwischenbereich Z mit weniger Harz imprägniert worden sein oder aber auch trocken abgelegt worden sein. Dies muss aber nicht so sein.
  • Die 3 zeigt eine weitere schematische Ansicht eines Druckbehälters 100. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorangegangenen Figuren erläutert. Die Ablagekontur 122 umfasst hier Verstärkungsfasern, die in koaxial zur Druckbehälterlängsachse angeordnet sind. Es handelt sich somit also um eine Axiallage. Damit die Fasern beim Ablegen nicht verrutschen umfasst das Endstück 112 hier Umlenkelemente 142, die von der Oberfläche des Endstücks 112 abstehen. Die Umlenkelemente 142 sind hier als Stifte ausgebildet. Die Stifte 142 können in einem radialen Ring vorgesehen sein, der auf das Endstück aufgeschoben wird. Ein solcher Ring kann einfach herstellbar sein. Auf die Ablagekontur 122 ist hier eine Umfangsschicht 124 angeordnet. Die weiteren Lagen 126 der faserverstärkten Schicht 120 wurden hier vereinfachend weggelassen. Der Außendurchmesser der Endstücke 112,114 entspricht hier dem Innendurchmesser der Ablagekontur 122. Die Ablagekontur 122 ist hier also nicht nach innen gewölbt ausgebildet.
  • 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.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters (100), umfassend die Schritte: - Befestigen von zwei Endstücken (112, 114) des Druckbehälters (100) an eine Maschine zum Ablegen von Verstärkungsfasern; und - Ausbilden einer Ablagekontur (122) für weitere Faserlagen einer faserverstärkten Schicht (120) durch Ablegen von Verstärkungsfasern auf die beiden Endstücke (112, 114); wobei die beiden Endstücke (112, 114) während des Ablegens der Verstärkungsfasern beabstandet voneinander angeordnet sind; wobei zwischen den Endstücken (112, 114) keine Ablageoberfläche vorgesehen ist, auf die die Verstärkungsfasern zur Ausbildung der Ablagekontur (122) abgelegt werden; und wobei sich die abgelegten Verstärkungsfasern zur Ausbildung der Ablagekontur (122) von dem einen Endstück (112) zu dem anderen Endstück (114) erstrecken.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ablagekontur (122) eine Faserlage umfasst, die sich über den Mittelbereich (M) und zumindest bereichsweise über beide Endstücke (112, 114) des Druckbehälters (100) erstreckt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend den Schritt: Direktes oder indirektes Aufbringen von mindestens einer Umfangslage (124) auf die Ablagekontur (122).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Umfangslage (124) erst aufgebracht wird, nachdem die Ablagekontur (122) selbst eine Eigensteifigkeit erlangt hat, die ein Ablegen von Verstärkungsfasern zur Ausbildung der Umfangslage zulässt.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt: Aushärten der Ablagekontur (122), insbesondere bis die Ablagekontur eine Eigensteifigkeit erlangt hat, die ein Ablegen von Verstärkungsfasern zur Ausbildung der Umfangslage zulässt.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine Faserlage der Ablagekontur (122) eine Kreuzlage oder eine Axiallage ist.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt, wonach zumindest während der Ausbildung und/oder Aushärtung der Ablagekontur (122) die Relativposition der beiden Endstücke (112, 114) zueinander fixiert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die beiden Endstücke (112, 114) während der Ausbildung und/oder Aushärtung der Ablagekontur (122) über ein Verbindungselement drehfest miteinander verbunden sind, wobei das Verbindungselement keine Ablageoberfläche für Verstärkungsfasern aufweist.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verbindungselement koaxial zur Druckbehälterlängsachse (A-A) angeordnet ist.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zur Ausbildung der Ablagekontur (122) abgelegten Verstärkungsfasern vorimprägnierte Fasern sind.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mindestens ein Endstück (112,114) Umlenkelemente (142) aufweist, und wobei zumindest einige Verstärkungsfasern der Ablagekontur (122) um Umlenkelemente (142) herum abgelegt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die die Ablagekontur (122) ausbildenden Verstärkungsfasern in einem Faserwinkel (FW) zur Druckbehälterlängsachse (A-A) abgelegt werden, der kleiner als 20° oder kleiner als 10° oder kleiner als 5° ist.
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