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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters aus mit Kurzfasern verstärktem Kunststoff, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
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Es ist bereits bekannt Druckbehälter aus faserverstärkten Kunststoffen herzustellen oder diese mit faserverstärkten Kunststoffen zu verstärken. Die Verstärkungsfasern können dabei Kurzfasern, Langfasern oder sogenannte Endlosfasern umfassen. Bekannt ist weiterhin, dass die Orientierung der Verstärkungsfasern die mechanischen Eigenschaften des Druckbehälters, wie Festigkeit und Steifigkeit, beeinflusst. Gewöhnlich sind die Fasern fester und steifer als die Matrix, in die sie eingebettet sind. Das bedeutet, dass die Festigkeit und die Steifigkeit in Faserrichtung höher sind als quer zur Faserrichtung. Eine solche Richtungsabhängigkeit der Materialeigenschaften wird als Anisotropie bezeichnet.
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Die Faserorientierung wird bei Endlosfasern und Langfasern bereits durch die Faseraufbringung festgelegt. Letztere kann beispielsweise durch Flechten, Wickeln, Weben und Ablegen erfolgen. Anders verhält es sich bei Kurzfasern, die in der Regel bereits eingebettet in die Matrix in Formen eingespritzt werden. Hier kommt es durch den Einspritzvorgang mit einer starken Scherung an den Oberflächen der Angusskanäle und den Oberflächen der Spritzgussform zu einer Ausrichtung der Fasern.
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Diese Umorientierung der Fasern beim Einspritzvorgang in eine Form bewirkt allerdings bisher eine Ausrichtung der Fasern, die ungünstig oder zumindest nicht ideal für die Drucktragefähigkeit eines Druckbehälters ist.
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So beschreibt die
DE 10 2010 008 263 B4 ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, umfassend einen, einen Hohlraum bildenden und druckdicht verschließbaren Kunststoffbehälter, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- Bereitstellung zumindest einer Lage, insbesondere einer Folie;
- Bereitstellung eines Formgebungswerkzeuges zur Ausbildung des Kunststoffbehälters;
- und Hinter- oder Umspritzen/Vergiessen der zumindest einen Lage, insbesondere Folie unter Druck im Formgebungswerkzeug durch Gießen, insbesondere Spritzgießen.
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Dabei wird die zumindest eine einzelne Lage zumindest von einem der nachfolgenden Komponenten oder einer Kombination aus diesen gebildet: Folie, vorzugsweise Metallfolie insbesondere Aluminiumfolie oder Edelstahlfolie;
Kunststofffolie, insbesondere Kunststofffolie mit mindestens einer Schicht des gleichen thermoplastischen Kunststoffs, wie der hinterspritzte Kunststoff;
Gewebe aus Metallfasern und/oder Glasfasern und/oder Kohlefasern;
Gelege aus Metallfasern und/oder Glasfasern und/oder Kohlefasern;
Gitter- und/oder Netzstruktur aus einem Kunststoff und/oder Metall;
Prepreg, insbesondere mit thermoplastischem Kunststoff vorimprägniertes Fasergewebe, insbesondere Glasfasergewebe.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Druckbehälters mit verbesserter Festigkeit bereitzustellen, bei dem auch Recyclingmaterial eingesetzt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale und Verfahrensschritte des ersten Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.
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Nach der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, wenigstens aus Faserverbundwerkstoff, in einem Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff durch Kurzfasern verstärkt wird, indem eine Druckbehälter-Preform im Werkzeug so gedehnt und gestaucht wird, dass eine Faserorientierung im resultierenden fertigen Druckbehälter entsteht, bei der die Ausrichtung der Fasern so erfolgt, dass die entstehende Endausrichtung der Fasern im fertigen Druckbehälter günstig ist, um den durch die Druckbelastung entstehenden mechanischen Spannungen in der Behälterwand standzuhalten. In einer zylindrischen Druckbehälterwand ist in der Näherung der Kesselformel die mechanische (Zug-)Spannung in Umfangsrichtung doppelt so groß, wie die mechanische (Zug-)Spannung in Axialrichtung. In der Radialrichtung tritt dagegen gar keine Zugspannung auf. Die ideale Faserausrichtung ist deshalb stärker in Umfangsrichtung als in Axialrichtung orientiert. Eine Ausrichtung in Radialrichtung ist dagegen zu vermeiden. Für eine zylindrische Druckbehälterwand wird also angestrebt, dass rund zwei Drittel der Kurzfasern in Umfangsrichtung und rund ein Drittel der Kurzfasern in Axialrichtung, aber nahezu keine Kurzfasern in Radialrichtung ausgerichtet sind. Die Faserorientierung einer einzelnen Kurzfaser wird hier durch die Verbindung ihrer Endpunkte beschrieben. Zur Ermittlung der Ausrichtung werden dann die Winkel, die die Verbindung der Kurzfaserenden jeweils mit der Umfangsrichtung, der Axialrichtung und der Radialrichtung bildet, ermittelt. Der kleinste dieser drei Winkel bestimmt, welche Ausrichtung die Kurzfaser hat.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die Faserorientierung der Kurzfasern durch die Umformung im Werkzeug festgelegt werden kann, was die mit Kurzfasermaterial erzielbare Festigkeit des Druckbehälters deutlich und zuverlässig erhöht, gegenüber einer Ausrichtung der Fasern in ungeordnetem oder nur durch die Einspritzung zufällig entstandenem Zustand.
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So ist das Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters wenigstens aus Faserverbundwerkstoff in einem Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff durch Kurzfasern verstärkt wird, indem eine Druckbehälter-Preform im Werkzeug so gedehnt und gestaucht wird, dass eine Faserorientierung im resultierenden fertigen Druckbehälter entsteht, bei der höchstens ein Viertel der Kurzfasern in Radialrichtung ausgerichtet ist.
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Bei einem Druckbehälter, der über einen zylindrischen Teilbereich verfügt, entsteht in diesem durch das Verfahren eine Faserorientierung beim fertigen Druckbehälter, bei der wenigstens die Hälfte der Kurzfasern in Umfangsrichtung ausgerichtet ist.
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Dadurch kann auf die Verwendung von teureren Endlosfasern verzichtet werden und es können auch auf Fasern aus einem Recyclingprozess verwendet werden. Außerdem sind die Produktionszyklen gegenüber allen anderen Möglichkeiten der Faseraufbringung, wie Wickeln, Flechten, Weben, Legen usw., wesentlich verkürzt.
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Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sehen vor, dass die Druckbehälter-Preform des Faserverbundwerkstoffs in das Werkzeug eingelegt wird, das die äußere Endform des Druckbehälters als Kavität abbildet und darauffolgend durch Bedrückung des Inneren der Druckbehälter-Preform diese vergrößert wird, bis sie vollständig an der Werkzeugwand anliegt. Wenn dann eine Flüssigkeit zwischen Druckbehälter-Preform und Werkzeugwand eingesetzt wird, die dort schmierend und/oder trennend wirkt, kann dieses Vorgehen vermeiden, dass es während der Ausdehnung der Druckbehälter-Preform durch eine Anhaftung an der Werkzeugwand zu einer lokal geringeren Dehnung und zu einer erhöhten Scherung in der faserverstärkten Matrix kommt, die die Faserorientierung negativ beeinflussen könnte. Durch die Flüssigkeit wird vorteilhafterweise eine Scherung in der faserverstärkten Matrix verhindert und diese stattdessen in den dünnen Flüssigkeitsfilm zwischen faserverstärkter Matrix und Werkzeugwand verlegt. Somit kann eine Anhaftung besonders sicher verhindert werden bzw. sogar eine bestehende Anhaftung wieder gelöst werden. Wird Flüssigkeit in die Kavität des Werkzeugs eingegeben, dann muss an anderer Stelle auch für mindestens einen Abfluss gesorgt werden.
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Deshalb wird bei einem besonders vorteilhaften Verfahren die Flüssigkeit durch wenigstens eine Einlassöffnung in der Werkzeugwand in das Werkzeug eingepresst, die dann durch wenigstens eine Abflussöffnung in einem Bereich der Werkzeuginnenoberfläche wieder austritt, in dem ein Anliegen der Druckbehälter-Preform oder einer faserverstärkten Matrix an der Werkzeuginnenwand erst am Ende des Ausdehnungsprozesses erfolgt. Die Abflussöffnung liegt damit bevorzugt im Dombereich des Werkzeugs. Mindestens eine Einlassöffnung ist bevorzugt fluidverbunden mit dem Inneren der Druckbehälter-Preform, um eine Ausdehnung sicherzustellen.
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Der Prozess der Umformung von der Druckbehälter-Preform zur endgültigen Druckbehälterform muss dabei nicht in einem Schritt und auch nicht mit nur einem Werkzeug erfolgen. Es ist im Gegenteil vorteilhafterweise möglich, mit mehreren Werkzeugen sicherzustellen, dass die jeweilige Umformung für jeden Einzelschritt gering ist und die Ausrichtung der Fasern in der gewünschten Richtung erfolgt.
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Über eine Vielzahl an Öffnungen in der Werkzeugwand, durch die Flüssigkeit in den Raum zwischen Werkzeugwand und Preform- bzw. Druckbehälter-Außengrenze fließt, kann sogar eine Umformung der Preform erfolgen, ohne dass die Werkzeugwand überhaupt in Kontakt mit der Preform tritt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Geschwindigkeit der einströmenden Flüssigkeit an den einzelnen Öffnungen gesteuert werden kann. Durch die unterschiedliche lokale Geschwindigkeit der an der Preform-Oberfläche vorbeiströmenden Flüssigkeit ergibt sich ein lokal unterschiedlicher Staudruck an der Preform-Oberfläche, der zusammen mit dem homogen verteilten statischen Druck einen lokal unterschiedlichen Totaldruck an der Preform-Oberfläche ergibt. Da diesem von der Innenseite der Preform ein homogener Innendruck entgegenwirkt, lässt sich so ein von dem Prinzip der Minimalflächen abweichende Formgebung erreichen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung näher dargestellt. Dazu zeigen die schematisch gezeichneten 1 bis 4 mit 1 einen Ausschnitt aus einem zylindrischen Bereich einer Druckbehälter-Preform mit den gekennzeichneten Raumrichtungen: Umfangsrichtung, Axialrichtung und Radialrichtung. Ein Volumenelement aus diesem zylindrischen Bereich der Druckbehälter-Preform ist als Detail A gezeigt, wobei die 2 bis 4 dieses Detail A in einer zeitlichen Abfolge von Verformungsschritten des Prepregs bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Druckbehälters zeigen.
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Die 2 zeigt eine Faserausrichtung von Kurzfasern in diesem Volumenelement zu Beginn des Verformungsprozesses des Prepregs. Die Faserausrichtung ist im Wesentlichen ungeordnet, das heißt, die Faserausrichtung ist durch die Einbringung von Faser und Matrix in die Preform bestimmt und die Faserausrichtung ist deshalb in diesem ersten Stadium der Verformung im nicht gezeichneten Werkzeug nicht günstig für die Drucktragefähigkeit eines Druckbehälters.
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In 3 ist dargestellt, wie das Volumenelement während des Verfahrens durch die Bedrückung im Werkzeug in Umfangsrichtung etwa doppelt so stark gestreckt wurde, wie in Axialrichtung. Da das Volumen des Volumenelements konstant bleibt, wird diese Streckung in Umfangsrichtung und Axialrichtung durch eine Stauchung in Radialrichtung erreicht. Beispielhaft ist eine Streckung in Umfangsrichtung um den Faktor 3 und in Axialrichtung um den Faktor 2. Die Stauchung in Radialrichtung erfolgt deshalb auf ein Sechstel (1/3 × 1/2 = 1/6). Deutlich erkennbar ist die Ausrichtung der Kurzfasern in Richtung der Streckung, also vor allem in Umfangsrichtung, zum Teil auch in Axialrichtung. Dies erfolgt auf Kosten der Kurzfaserausrichtung in Radialrichtung.
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In 4 ist die Streckung noch weiter vollzogen und es ist gut sichtbar, dass der Prozess der Kurzfaser-Ausrichtung noch weiter fortgeschritten ist. Die Streckung in Umfangsrichtung ist hier um den Faktor 6, in Axialrichtung um den Faktor 3 und die Stauchung in Radialrichtung um den Faktor 1/18tel erfolgt.
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In 5 ist die Veränderung der Ausrichtungsstatistik durch die in den vorangehenden 4 beschriebene Stauchung/Streckung dargestellt: Dabei wird von einer zufällig erzeugten Monte-Carlo-Verteilung von 3003 Kurzfasern ausgegangen, bei der die drei Raumorientierungen Umfangsrichtung, Axialrichtung und Radialrichtung annähernd gleich häufig auftreten. Die in 4 visualisierte Streckung/Stauchung bewirkt eine deutliche Umverteilung der Raumorientierungen:
- Die Anzahl der in Umfangsrichtung orientierten Kurzfasern hat sich nahezu verdoppelt, so dass annähernd 2/3 aller Kurzfasern nun in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.
- Die Anzahl der in Axialrichtung orientierten Kurzfasern hat sich nur leicht erhöht, so dass etwas über 1/3 aller Kurzfasern nun in Axialrichtung ausgerichtet sind.
- Die Anzahl der in Radialrichtung orientierten Kurzfasern hat sich sehr deutlich reduziert, so dass fast gar keine Kurzfasern mehr noch in Radialrichtung ausgerichtet sind.
- Diese Verteilung der Ausrichtungen der Kurzfasern ist somit sehr gut geeignet für die Verwendung in der Zylinderwand eines Druckbehälters. Entsprechend der Verstreckung des Volumenelements bewirkt die Verformung der Preform im Werkzeug ebenso eine effektive Umorientierung der Kurzfaserausrichtung, die den Belastungen durch Innendruck im so hergestellten Druckbehälter deutlich besser standhalten kann als im Ausgangszustand.
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Beispielsweise können durch dieses Verfahren Druckbehälter hergestellt werden, die für Luftfedern bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010008263 B4 [0005]
