DE102018219698A1

DE102018219698A1 - Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug mit einem vorimprägnierten Faserstrang

Info

Publication number: DE102018219698A1
Application number: DE102018219698.2A
Authority: DE
Inventors: Oliver Stoll; Florian Eidmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, mit den Schritten:- Bereitstellen eines vorgefertigten Liners (210);- Umwickeln des Liners (210) mit wenigstens einem endlosen vorimprägnierten Faserstrang (310), wobei der endlose vorimprägnierte Faserstrang (310) vor dem Umwickeln in vorbestimmten Längenabschnitten (315) mittels Zusatzmaterial (320) verstärkt wird.Die Erfindung betrifft ferner einen verfahrengemäß hergestellten Drucktank.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner einen erfindungsgemäß hergestellten Drucktank.
Drucktanks der hier betreffenden Art werden in Kraftfahrzeugen zur Speicherung von Brennstoff, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff für einen Brennstoffzellenantrieb oder zur Speicherung von Gas für einen Gasantrieb, verwendet. Solche Drucktanks sollen einerseits stabil sein, um den hohen Innendrücken (bis zu 750 bar und mehr) standzuhalten und gegebenenfalls auch Kräfte und Momente im Kraftfahrzeug zu übertragen, und sollen andererseits leicht sein.
Um diesen zum Teil widersprüchlichen Anforderungen gerecht zu werden, sind aus dem Stand der Technik Druckstanks, welche einen sogenannten Liner (Innenhülle) mit einer Faserumwicklung aufweisen, und Herstellverfahren für solche Drucktanks bekannt. Stellvertretend wird auf die Patentschriften DE 10 2014 215 718 A1 , WO 2013/142178 A1 , US 2015/0192251 A1 und DE 10 2017 107 110 A1 hingewiesen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 1 steht nun ein weiteres und besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Drucktanks zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Drucktank für die Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und den Figuren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug weist folgende Schritte auf:

- Bereitstellen eines vorgefertigten Liners;
- (trockenes) Umwickeln des Liners mit wenigstens einem endlosen vorimprägnierten Faserstrang.

Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der endlose vorimprägnierte Faserstrang vor dem Umwickeln bzw. vor dem Ablegen auf dem Liner in vorbestimmten Längenabschnitten, d. h. anhand der vorgesehenen Ablegepositionen bzw. -stellen auf dem Liner definierten Längenabschnitten, mittels Zusatzmaterial verstärkt wird.
Der Liner ist ein vorzugsweise einstückig gefertigter Hohlkörper, der als Basiselement dient und später die Innenhülle des Drucktanks bildet. Der Liner kann aus Kunststoff (z. B. PA oder PE) oder Metall (z. B. Aluminium) gefertigt sein. Bevorzugt weist der Liner einen mittleren zylindrischen bzw. hohlzylindrischen Abschnitt und zwei endseitige Kuppelabschnitte, die auch als Dome oder Pole bezeichnet werden, auf.
Bei dem endlosen vorimprägnierten Faserstrang (im Folgenden auch nur als Faserstrang bezeichnet) handelt es sich insbesondere um ein bandartig bzw. tapeartig oder schnurartig ausgebildetes Faserhalbzeug, das aus einer Vielzahl endloser Verstärkungsfasern (z. B. 10.000 bis 30.000 Einzelfasern bzw. Filamenten), insbesondere Kohlenstofffasern, sowie einer Matrix (duroplastische oder gegebenenfalls auch thermoplastische Kunststoffmatrix; s. u.) gebildet ist. Mit „vorimprägniert“ ist also gemeint, dass der verwendete Faserstrang bei Bereitstellung bereits eine duroplastische oder thermoplastische Matrix bzw. Kunststoffmatrix aufweist. Die Matrix bzw. Kunststoffmatrix wird also, anders als bspw. beim Nasswickelverfahren, nicht erst beim Umwickeln zugeführt. Bevorzugt handelt es sich bei dem vorimprägnierten Faserstrang um ein sogenanntes Towpreg-Material bzw. Towpreg-Halbzeug (im Folgenden auch nur als Towpreg bezeichnet). Der Faserstrang bzw. das Towpreg wird insbesondere im trockenen Zustand gewickelt (Trockenwickelverfahren).
Das Zusatzmaterial bewirkt in den betreffenden Längenabschnitten eine lokale bzw. abschnittsweise mechanische Verstärkung des Faserstrangs bzw. des Towpregs, wobei insbesondere die Zugfestigkeit lokal erhöht ist, ohne jedoch die für das Umwickeln des Liners erforderliche Biegeschlaffheit ungünstig zu beeinflussen. Das Zusatzmaterial kann ebenfalls Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlenstofffasern, aufweisen, sodass der Faserstrang in den betreffenden Längenabschnitten quasi mit Zusatzfasern verstärkt ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Zusatzmaterial in etwa dieselbe Breite und/oder dieselbe Dicke wie der Faserstrang aufweist. Als Zusatzmaterial werden insbesondere Towpreg-Zuschnitte verwendet, die aus dem gleichen Towpreg-Material wie der Faserstrang hergestellt sein können (insbesondere durch Abschneiden).
Der lokal bzw. abschnittsweise mit Zusatzmaterial verstärkte Faserstrang kann z. B. derart um den Liner gewickelt werden, dass die mit Zusatzmaterial verstärkten Längenabschnitte in mechanisch besonders belasteten Bereichen abgelegt werden. Dadurch kann mit einer geringen Wicklungsanzahl und mit kurzer Fertigungszeit ein besonders stabiler und leichter Drucktank hergestellt werden. Ferner ergeben sich Materialeinsparungen, Taktzeitverkürzungen und verringerte Herstellkosten.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Liner einen mittleren zylindrischen Abschnitt bzw. Zylinderabschnitt und zwei endseitige Kuppelabschnitte aufweist (s. o.) und dass die mittels Zusatzmaterials verstärkten Längenabschnitte des Faserstrangs beim Umwickeln des Liners (nur) an den Kuppelabschnitten abgelegt werden. Bevorzugt erfolgt das Umwickeln der Kuppelabschnitte durch ein schraubenförmiges Umwickeln (wie in der DE 10 2017 107 110 A1 beschrieben), da der Faserstrang sonst abrutschen würde. Die schraubenförmige Umwicklung ist, im Gegensatz zu einer Umfangswicklung, hinsichtlich der später im Faserstrang wirkenden Zugspannungen nicht optimal, was bislang durch eine erhöhte Wicklungs- bzw. Lagenanzahl kompensiert wird. Mit der Erfindung kann jedoch eine lokal im Bereich der Kuppelabschnitte verstärkte Umwicklung bzw. eine Umwicklung mit Polkappenverstärkung erzeugt werden, sodass die Wicklungs- bzw. Lagenanzahl insgesamt reduziert und Fertigungszeit sowie Gewicht eingespart werden kann. Ergänzend zu einem schraubeförmigen Umwickeln kann auch ein Umreifungs- bzw. Umfangswickeln vorgesehen sein (wie in der DE 10 2017 107 110 A1 beschrieben).
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Zusatzmaterial in den betreffenden Längenabschnitten an den Faserstrang thermisch angeheftet wird. Beim thermischen Anheften wird das Zusatzmaterial in den betreffenden Längenabschnitten an den Faserstrang angedrückt und die Matrix leicht angeschmolzen, wodurch eine thermische Fügung bzw. Verbindung erzeugt wird. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das thermische Anheften des Zusatzmaterials an den vorimprägnierten Faserstrang mithilfe wenigstens einer beheizten Anpresswalze oder wenigstens eines beheizten Druckstempels erfolgt.
Der endlose Faserstrang kann während des Umwickelns, d. h. bevor dieser auf dem Liner abgelegt wird, in den betreffenden Längenabschnitten mit Zusatzmaterial verstärkt werden. Die lokale bzw. abschnittsweise Verstärkung des Faserstrangs erfolgt dabei sozusagen bedarfsweise on-the-fly, bevor dieser, bspw. in den Kuppelabschnitten, abgelegt wird. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass der vorimprägnierte Faserstrang auf einer ersten Spule bereitgestellt wird und anschließend auf eine zweite Spule umgespult bzw. umgewickelt und dabei in den betreffenden Längenabschnitten mit dem Zusatzmaterial verstärkt wird (insbesondere durch thermisches Anheften; s. o.). Der auf dieses Weise lokal bzw. abschnittweise mit Zusatzmaterial verstärkte Faserstrang kann dann für das Umwickeln des Liners auf der zweiten Spule bereitgestellt (und von dieser abgezogen) werden. Die zu verstärkenden Längenabschnitte können bspw. durch Betrachtung einer Abwicklung oder durch Rückrechnen aus einem Wickelprogramm bestimmt werden.
Der endlose Faserstrang kann mit einer duroplastischen, noch ungehärteten Matrix vorimprägniert sein. Bevorzugt handelt es sich bei dem endlosen Faserstrang um ein duroplastisches Tape (Towpreg). Nach dem Umwickeln des Liners kann der umwickelte Liner erwärmt bzw. erhitzt werden, wodurch der vorimprägnierte Faserstrang aushärtet und auf der Außenfläche des Liners eine aus faserverstärktem Kunststoff gebildete Verstärkungsschicht entsteht.
Der endlose Faserstrang kann aber auch mit einer thermoplastischen Matrix vorimprägniert sein. Bevorzugt handelt es sich bei dem endlosen Faserstrang dann um ein thermoplastisches Tape. Der Faserstrang kann dann beim Umwickeln des Liners erwärmt werden und kühlt danach wieder ab, sodass auf der Außenfläche des Liners eine aus faserverstärktem Kunststoff gebildete Verstärkungsschicht entsteht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die in den schematischen Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 veranschaulicht die erfindungsgemäße Herstellung eines Drucktanks.
2 veranschaulicht das Umspulen des für die Herstellung des Drucktanks in 1 verwendeten Faserstrangs, wobei gleichzeitig Zusatzmaterial an den Faserstrang angeheftet wird.

1 zeigt eine Faserwickelvorrichtung 100, die eine Lagereinrichtung 110 für einen zu bewickelnden Liner 210 und eine Faserliefereinrichtung 120 mit einem verfahrbaren Ablegekopf 125 oder dergleichen umfasst. Der Ablegekopf 125 wird gemäß einem zuvor erstellten Wickelprogramm bewegt und legt dabei einen endlosen vorimprägnierten Faserstrang 310 auf der Außenfläche des rotierenden Liners 210 ab, wobei der als Basiselement dienende Liner 210 spiralförmig bzw. schraubenförmig umwickelt wird (Helical Winding). Dabei wird der Faserstrang 310, wobei es sich insbesondere um ein sogenanntes Towpreg handelt, von einer bereitgestellten Spule 300 abgezogen und über mehrere zur Faserwickelvorrichtung 100 gehörende Zugrollen 130, Umlenkrollen 140 und dergleichen dem Ablegekopf 125 zugeführt und trocken auf dem Liner 210 abgelegt.
Der zu umwickelnde Liner 210 weist einen zylindrischen Abschnitt 212 sowie zwei Kuppelabschnitte bzw. Dome 214 auf. Durch ein schraubenförmiges Umwickeln des vorgefertigten Liners 210 mit dem Faserstrang 310 werden sukzessive die Kuppelabschnitte 214 abgedeckt. Hierzu wird der Faserstrang 310 alternierend um die Kuppelabschnitte 214 herumgelegt und zum jeweils anderen Kuppelabschnitt 214 zurückgeführt, wobei wenigstens eine und bevorzugt mehrere Wickellagen (Helical Layers) erzeugt werden. In den Kuppelabschnitten 214 können Mundstücke (sogenannte Bosse) angeordnet sein, die bei diesem schraubenförmigen Umwickeln des Liners 210 mit eingewickelt werden. Ferner kann, insbesondere im zylindrischen Abschnitt 212, auch ein Umfangswickeln vorgesehen sein, wobei wenigstens eine und bevorzugt mehrere Wickellagen (Hoop Layers) erzeugt werden können.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Faserstrang 310 in vorausbestimmten Längenabschnitten 315 vor dem Ablegen auf dem Liner 210 mit Zusatzmaterial 320 verstärkt wird. Beim Umwickeln des Liners 210 werden diese mit Zusatzmaterial 320 verstärkten Längenabschnitte 315 an bzw. auf den Kuppelabschnitten 214 abgelegt. Auf diese Weise wird eine lokal im Bereich der Kuppelabschnitte 214 verstärkte Umwicklung erzeugt.
2 zeigt eine Umspulvorrichtung 400 und veranschaulicht zwei Möglichkeiten, wie das Zusatzmaterial 320 bei einem vorausgehendem Umspulen des Faserstrangs 310 von einem ersten Spulenkörper bzw. einer ersten Spule 300a auf einen zweiten Spulenkörper bzw. eine zweite Spule 300b in den betreffenden vorausbestimmten Längenabschnitten 315 längs an den Faserstrang 310 thermisch angeheftet wird. Das Anheften des mit entsprechender Länge zugeführten Zusatzmaterials 320, wobei es sich insbesondere um Towpreg-Zuschnitte bzw. -Stückchen handelt, kann mithilfe beheizter Anpresswalzen 410 erfolgen, wie links dargestellt, oder mithilfe beheizter Druckstempel 420, wie rechts dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014215718 A1 [0003]
WO 2013/142178 A1 [0003]
US 2015/0192251 A1 [0003]
DE 102017107110 A1 [0003, 0011]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, mit den Schritten: - Bereitstellen eines vorgefertigten Liners (210); - Umwickeln des Liners (210) mit wenigstens einem endlosen vorimprägnierten Faserstrang (310); dadurch gekennzeichnet, dass der endlose vorimprägnierte Faserstrang (310) vor dem Umwickeln in vorbestimmten Längenabschnitten (315) mittels Zusatzmaterial (320) verstärkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Liner (210) einen mittleren zylindrischen Abschnitt (212) und zwei endseitige Kuppelabschnitte (214) aufweist und dass die mittels Zusatzmaterial (320) verstärkten Längenabschnitte (315) des endlosen vorimprägnierten Faserstrangs (310) beim Umwickeln an den Kuppelabschnitten (214) abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der endlose vorimprägnierte Faserstrang (310) ein Towpreg-Material ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial (320) Towpreg-Zuschnitte verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial (320) in den betreffenden Längenabschnitten (315) an den endlosen vorimprägnierten Faserstrang (310) thermisch angeheftet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Anheften des Zusatzmaterials (320) an den endlosen vorimprägnierten Faserstrang (310) mithilfe wenigstens einer beheizten Anpresswalze (410) oder mithilfe wenigstens eines beheizten Druckstempels (420) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der endlose vorimprägnierte Faserstrang (310) auf einer ersten Spule (300a) bereitgestellt wird, anschließend auf eine zweite Spule (300b) umgespult und dabei in den betreffenden Längenabschnitten (315) mit dem Zusatzmaterial (320) verstärkt wird, und dann für das Umwickeln des Liners (210) auf der zweiten Spule (300b) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der endlose Faserstrang (310) mit einer duroplastischen Matrix vorimprägniert ist und dass nach dem Umwickeln der umwickelte Liner (210) erwärmt wird, wodurch der vorimprägnierte Faserstrang (310) aushärtet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der endlose Faserstrang (310) mit einer thermoplastischen Matrix vorimprägniert ist und beim Umwickeln des Liners (210) erwärmt wird.
Drucktank zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.