DE102019130278B4 - Verfahren zur Herstellung eines Drucktanks für die Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug und hiermit hergestellter Drucktank (II) - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Drucktanks (100) für die Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, mit den Schritten:
- Bereitstellen eines aus thermoplastischem Kunststoff gefertigten Rohrstücks (112');
- Bereitstellen von zwei Abschlussstücken (120) und Anspritzen eines Rings oder einer Hülse (130) aus thermoplastischem Kunststoff an jedes der Abschlusstücke (120);
- Verschließen der stirnseitigen Enden des thermoplastischen Rohrstücks (112') mit den Abschlussstücken (120), wozu die angespritzten thermoplastischen Ringe oder Hülsen (130) mit den Stirnflächen des thermoplastischen Rohrstücks (112') verschweißt werden;
- Bereitstellen eines aus faserverstärktem Kunststoff gefertigten Rohrstücks (114'), welches auf das mit den Abschlussstücken (120) beidseitig verschlossene thermoplastische Rohrstück (112') aufgeschoben und dann am thermoplastischen Rohrstück (112') und/oder an den Abschlussstücken (120) befestigt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Drucktanks für die Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner einen erfindungsgemäß hergestellten Drucktank.
  • In Kraftfahrzeugen werden zur Speicherung von Brennstoff, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff (H2) oder zur Speicherung von Erdgas (CNG) für den Antrieb des Kraftfahrzeugs, sowie gegebenenfalls auch zur Speicherung anderer Stoffe Drucktanks verwendet. In einem solchen Fahrzeugdrucktank (nachfolgend nur als Drucktank bezeichnet) herrschen Innendrücke von bis zu 750 bar und mehr. Solche Drucktanks weisen häufig einen sogenannten Liner und eine außen auf dem Liner aufgebrachte faserverstärkte Materialschicht (Faserummantelung) auf.
  • In der DE 10 2018 222 302 A1 ist ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines solchen Drucktanks beschrieben, mit den Schritten:
    • - Bereitstellen eines rohr- oder schlauchartigen Halbzeugs;
    • - Aufbringen einer Faserummantelung auf das Halbzeug mittels eines Pultrusionsprozesses, wodurch ein mehrlagiger zylindrischer Hohlkörper erzeugt wird; und
    • - Verschließen der offenen Stirnseiten des Holkörpers mit End- bzw. Abschlussstücken.
  • Ein derart hergestellter Drucktank kann aufgrund seiner im Wesentlichen zylindrischen Bauform auch als röhrenförmiger Drucktank oder als Rohrspeicher bezeichnet werden.
  • Ferner ist in der US 2018 / 0 299 067 A1 ein röhrenförmiger Drucktank offenbart, welcher aus einem Rohr und zwei Abschlussstücken besteht. Hierbei werden die Abschlussstücke mittels eingespritztem Epoxidharz mit dem Rohr verklebt.
  • Die US 2013 / 0 049 256 A1 offenbart eine rohrförmigen Speicher mit einem Abschlussstück, an dem eine Hülse aus thermoplastischem Kunststoff angespritzt ist. Diese wird später mit der Stirnfläche eines thermoplastischen Liners verschweißt.
  • In der DE 10 2017 201 420 A1 und in der DE 101 56 377 A1 sind beidseitig verschlossene Liner für einen Rohrspeicher offenbart. Auf den innenliegenden, geschlossenen Liner wird nachfolgend ein aus Faserverbundwerkstoff gefertigtes Rohr geschoben und daran befestigt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren des Patentanspruchs 1 wurde nun ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Drucktanks geschaffen, welches ebenfalls sehr kurze Taktzeiten ermöglicht und somit insbesondere für die Serienfertigung von Drucktanks geeignet ist. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf einen Drucktank, welcher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung sowie der Zeichnung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines (röhrenförmigen) Drucktanks für die Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug umfasst zumindest die folgenden, insbesondere in dieser Abfolge auszuführenden Schritte, wobei diese Schritte vorzugsweise automatisiert ausgeführt werden:
    • - Bereitstellen eines aus thermoplastischem Kunststoff, insbesondere aus einem Polyamid (PA), gefertigten Rohrstücks (nachfolgend auch als thermoplastisches Rohstück bezeichnet) oder gleichwirkend eines Schlauchstücks, welches den Liner bildet;
    • - Bereitstellen von zwei (vorgefertigten) End- bzw. Abschlussstücken und Anspritzen eines Rings oder einer Hülse aus thermoplastischem Kunststoff (nachfolgend auch als thermoplastischer Ring oder thermoplastische Hülse bezeichnet), insbesondere aus einem Polyamid (PA), an jedes dieser Abschlusstücke, vorzugsweise mithilfe einer entsprechend ausgebildeten Spritzgießvorrichtung;
    • - Verschließen der axialen bzw. stirnseitigen (noch offenen) Enden des aus thermoplastischem Kunststoff gefertigten Rohrstücks mit diesen Abschlussstücken, wozu die an den Abschlussstücken angespritzten thermoplastischen Ringe bzw. thermoplastischen Hülsen mit den, insbesondere kreisringförmigen, Stirnflächen des thermoplastischen Rohrstücks verschweißt werden, was nacheinander oder an beiden Rohrenden gleichzeitig erfolgen kann;
    • - Bereitstellen eines aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) gefertigten Rohrstücks oder gleichwirkend eines Schlauchstücks, welches die Faserummantelung bildet und hierzu auf das (zuvor) mit den Abschlussstücken beidseitig verschlossene thermoplastische Rohrstück (axial) aufgeschoben wird (bzw. das beidseitig verschlossene thermoplastische Rohrstück wird in das aus faserverstärktem Kunststoff gefertigte Rohrstück eingeschoben) und dann am thermoplastischen Rohrstück und/oder an den Abschlussstücken befestigt bzw. fixiert wird.
  • Das aus faserverstärktem Kunststoff gefertigte Rohrstück (nachfolgend auch als FVK-Rohrstück bezeichnet) ist insbesondere aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) oder aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) gefertigt und weist bevorzugt eine duroplastische Kunststoffmatrix auf, die ausgehärtet oder zumindest angehärtet ist. Es kann aber auch eine thermoplastische Kunststoffmatrix vorgesehen sein. Nach dem Aufschieben kann das Befestigen am thermoplastischen Rohrstück und/oder an den Abschlussstücken durch Verkleben, radiales Verpressen bzw. Aufpressen und/oder Anbringen wenigstens eines Fügehilfsmittels (z. B. eines Sicherungsstifts, eines Sicherungsrings, einer äußeren Armierung oder Ähnlichem) erfolgen.
  • Bevorzugt sind die Abschlussstücke becher- bzw. napfartig ausgebildet und weisen (jeweils) einen Boden bzw. eine Stirnwand sowie eine den Boden umgebende Umfangswandung bzw. Zarge auf. Bevorzugt ist dann vorgesehen, dass beim Anspritzen des thermoplastischen Kunststoffs, also beim Anspritzen eines thermoplastischen Rings bzw. einer thermoplastischen Hülse an diese Abschlussstücke, sowohl die Innenumfangsfläche als auch die, insbesondere kreisringförmige, Stirnfläche der Umfangswandung (mit thermoplastischen Kunststoff) überspritzt werden, wobei insbesondere eine einstückige Hülse erzeugt wird. Der auf die Stirnfläche aufgespritzte Ring bzw. Hülsenabschnitt kann dann, insbesondere direkt, mit der entsprechenden Stirnfläche des thermoplastischen Rohrstücks verschweißt werden. Auf diese Weise kann zwischen dem thermoplastischen Rohrstück (bzw. dem Liner) und den Abschlussstücken eine Abdichtung erzielt werden, die ohne zusätzliche Dichtungselemente (wie bspw. O-Ringe oder dergleichen) auskommt.
  • An den Innenumfangsflächen der Umfangswandungen der Abschlussstücke können Formschlusselemente, z. B. umlaufende Nuten, vorgesehen sein, die mit thermoplastischem Kunststoff überspritzt werden, sodass sich (zwischen den Abschlussstücken und den angespritzten thermoplastischen Ringen bzw. Hülsen) Formschlussverbindungen, insbesondere in axialer Richtung hinterschnittige Formschlussverbindungen, ausbilden.
  • Die Abschlussstücke können aus Metall, insbesondere aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung, gebildet bzw. gefertigt sein. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die aus Metall gefertigten Abschlussstücke vor dem Anspritzen des thermoplastischen Kunststoffs, also vor dem Anspritzen eines thermoplastischen Rings bzw. einer thermoplastischen Hülse, vorbehandelt werden, bspw. durch Plasmabehandlung und/oder Oberflächenbehandlung mittels Strahlmittel, um die Hafteigenschaften zur verbessern. Die Abschlussstücke können auch aus Kunststoff (thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff), insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff, gebildet bzw. gefertigt sein. Auch solche aus Kunststoff gefertigten Abschlussstücke können vor dem Anspritzen des thermoplastischen Kunststoffs vorbehandelt werden, bspw. durch Plasmabehandlung und/oder Oberflächenbehandlung mittels Strahlmittel, um die Hafteigenschaften zur verbessern.
  • Die Abschlussstücke bzw. die daran angespritzten thermoplastischen Ringe oder Hülsen werden durch Verschweißen mit dem thermoplastischen Rohstück stoffschlüssig gefügt, wobei vorzugsweise umlaufende Schweißnähte, insbesondere umlaufende Stumpfschweißnähte, erzeugt werden. Bei dem Fügeverfahren handelt es sich demnach um ein Kunststoffschweißen bzw. Kunststoffkleben. Das Verschweißen erfolgt bevorzugt mittels Infrarotschweißen, Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder Heizelement(stumpf)schweißen.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass das thermoplastische Rohrstück in einem vorausgehenden Verfahrens- bzw. Fertigungsschritt durch Extrusion hergestellt wird und dass dann (nach dem Extrudieren und gegebenenfalls nach dem Abtrennen bzw. Ablängen des Rohrstücks vom Extrudat) das Verschweißen mit den Abschlussstücken bzw. den daran angespritzten Ringen oder Hülsen (noch) unter Ausnutzung der Extrusions(rest)wärme erfolgt, wodurch Energie eingespart und die Taktzeit verkürzt werden können. In analoger Weise kann auch die Restwärme vom Anspritzen der thermoplastischen Ringe oder Hülsen genutzt werden.
  • Die beim Verschweißen (der Abschlussstücke bzw. der daran angespritzten thermoplastischen Ringe oder Hülsen mit dem thermoplastischen Rohstück) erzeugten Schweißnähte können, vorzugsweise thermisch und/oder mechanisch, nachbearbeitet werden, insbesondere an der Außenumfangsfläche, um eine glatte bzw. stufenfreie Außenumfangsfläche zu erhalten.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die in den Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
    • 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung (Längsschnitt) einen erfindungsgemäß hergestellten Drucktank.
    • 2 veranschaulicht das Fügen eines der Abschlussstücke bei der Herstellung des Drucktanks aus 1.
  • 1 zeigt den axialen Endbereich eines röhrenförmigen Drucktanks 100 zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug. Der andere axiale Endbereich des Drucktanks 100 ist im Wesentlichen identisch bzw. spiegelsymmetrisch ausgebildet. Der Drucktank 100 hat eine Längsachse L und weist einen zylindrischen Hohlkörper 110 auf, der die Drucktankwandung bildet. Die Wandung des zylindrischen Hohlkörpers 110 ist mehrlagig bzw. mehrschichtig aufgebaut und weist einen Liner (Innenhülle) 112 und eine den Liner 112 umhüllende bzw. umschließende Faserummantelung (Außenhülle) 114 auf. Der zylindrische Hohlkörper 110 ist an seinen beiden Enden mit Abschlussstücken 120 verschlossen, wie nachfolgend noch näher erläutert. Das gezeigte Abschlussstück 120 weist eine Axialbohrung 125, insbesondere mit Anschlussgewinde, auf, sodass ein Ventil, eine Anschlussleitung oder dergleichen angeschlossen werden kann.
  • Der Drucktank 100 ist ein sogenanntes Zusammenbauteil (ZSB-Teil). Erfindungsgemäß umfasst die Herstellung des Drucktanks 100 folgende Fertigungs- bzw. Verfahrensschritte (siehe auch 2):
    • - Bereitstellen eines aus thermoplastischem Kunststoff gefertigten Rohrstücks 112', welches den Liner 112 bildet;
    • - Bereitstellen der beiden Abschlussstücke 120 und Anspritzen eines Rings oder einer Hülse 130 aus thermoplastischem Kunststoff an die Abschlusstücke 120;
    • - Verschließen der stirnseitigen Enden des thermoplastischen Rohrstücks 112' mit den Abschlussstücken 120, d. h., jedes (offene) axiale Ende des thermoplastischen Rohrstücks 112' wird mit einem der Abschlussstücke 120 verschlossen, wozu die an den Abschlussstücken 120 angespritzten thermoplastischen Ringe oder Hülsen 130 mit den Stirnflächen des thermoplastischen Rohrstücks 112' verschweißt werden;
    • - Bereitstellen eines aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) gefertigten Rohrstücks 114', welches auf das mit den Abschlussstücken 120 beidseitig verschlossene thermoplastische Rohrstück 112' aufgeschoben und dann am thermoplastischen Rohrstück 112' und/oder an den Abschlussstücken 120 befestigt wird, sodass ein druckfester und insbesondere unlösbarer Bauteilverbund entsteht.
  • 2 veranschaulicht das Fügen eines Abschlussstücks 120 mit dem thermoplastischen Rohrstück 112'. (Die folgenden Erläuterungen gelten analog für den anderen axialen Endbereich.) Bevorzugt wird das thermoplastische Rohrstück 112' zuvor mit entsprechender axialer Länge von einem Halbzeug (Meterware), z. B. einem extrudierten Kunststoffrohr, abgetrennt. Der Außendurchmesser des Abschlussstücks 120 entspricht dem Außendurchmesser des thermoplastischen Rohrstücks 112'.
  • Das insbesondere einstückig aus einem Metall gefertigte Abschlussstück 120 ist napf- bzw. becherartig ausgebildet und weist einen Boden bzw. eine Stirnwand 121 sowie eine kragenartig den Boden 121 umgebende (zylindrische) Umfangswandung bzw. Zarge 122, die sich senkrecht zum Boden 121 erstreckt, auf. In einem dem Fügen vorausgehenden Fertigungsschritt werden die Innenumfangsfläche und die kreisringförmige Stirnfläche der Umfangswandung 122 mit einem thermoplastischen Kunststoff überspritzt bzw. hinterspritzt, wobei eine einstückige thermoplastische Hülse 130 erzeugt wird. An der Innenumfangsfläche der Umfangswandung 122 können Formschlusselemente 123 vorgesehen sein, bspw. in Gestalt umlaufender Nuten, sodass sich zwischen dem Abschlussstück 120 und der angespritzten Hülse 130 Formschlussverbindungen, insbesondere in axialer Richtung L hinterschnittige Formschlussverbindungen, ausbilden können.
  • Das entsprechend vorbereitete Abschlussstück 120 wird dann in axialer Richtung L an eines der stirnseitigen Ende des thermoplastischen Rohrstücks 112' angelegt (wie in 2 gezeigt, d. h., der Boden 121 befindet sich axial außen) und der axial innere, auf die kreisringförmige Stirnfläche der Umfangswandung 122 aufgespritzte Hülsenabschnitt 131 wird direkt mit der kreisringförmigen Stirnfläche des thermoplastischen Rohrstücks 112' verschweißt (wie in 2 durch Wellenlinien veranschaulicht). Hierbei wird durch sogenanntes Kunststoffschweißen bzw. Kunststoffkleben thermoplastischer Kunststoff mit thermoplastischem Kunststoff gefügt und eine umlaufende sowie dichte Stumpfschweißnaht 140 erzeugt (siehe 1). In analoger Weise wird das andere stirnseitige Ende des thermoplastischen Rohrstücks 112' mit dem anderen, entsprechend vorbereiteten Abschlussstück verschlossen.
  • Auf das an beiden axialen Enden mit Abschlussstücken 120 verschlossene thermoplastische Rohrstück 112' wird nun ein FVK-Rohrstück 114' aufgeschoben (bzw. das beidseitig verschlossene thermoplastische Rohrstück 112' wird in das FVK-Rohrstück 114' eingeschoben) und am thermoplastischen Rohrstück 112' und/oder an den Abschlussstücken 120 befestigt. Die Befestigung kann bspw. durch Verkleben, radiales Aufpressen und/oder Anbringen wenigstens eines Fügehilfsmittels erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Befestigung an den Umfangswandungen 122 der Abschlussstücke 120. Außerdem können die Abschlussstücke 120 nach (axial) außen verjüngt ausgebildet sein (wie in 2 strichliniert angedeutet), sodass durch radiales Verpressen bzw. Aufpressen (oder dergleichen) des FVK-Rohrstücks 114' quasi hinterschnittige Verbindungen hergestellt werden können.
  • Das FVK-Rohrstück 114' kann zuvor mit entsprechender axialer Länge von einem Halbzeug (Meterware), z. B. einem pultrudierten bzw. stranggezogenen faserverstärktem Kunststoffrohr, abgetrennt werden. Bevorzugt sind der Außendurchmesser des Rohrstücks 112' und der Innendurchmesser des FVK-Rohrstücks 114' passgenau aufeinander abgestimmt. Gegebenenfalls müssen vor dem Aufschieben des FVK-Rohrstücks 114' in radialer Richtung nach außen überstehende Schweißnähte 140 nachbearbeitet werden, um am beidseitig verschlossenen thermoplastischen Rohrstück 112' eine glatte bzw. ebenmäßige (zylindrische) Außenumfangsfläche zu erhalten.
  • Für den auf diese Weise hergestellten Drucktank 100 sind keine zusätzlichen Dichtungselemente (wie bspw. O-Ringe oder dergleichen) erforderlich, sodass der Drucktank 100 gewissermaßen dichtungslos bzw. dichtungsfrei ist (siehe 1). Die an die Abschlussstücke 120 angespritzten Kunststoff-Hülsen 130 bilden zusammen mit dem thermoplastischen Rohrstück 112' ein dichtes Innenrohr. Dieses Innenrohr hat durchmesserreduzierte axiale Endbereiche, auf denen quasi die Abschlussstücke 120 angeordnet sind, derart, dass das Innenrohr mit den Abschlussstücken 120 eine ebene bzw. stufenfreie zylindrische Außenumfangsfläche aufweist, über der das FVK-Rohrstück 114', das quasi ein Außenrohr bildet, angebracht ist. Bei ansteigendem Innendruck im Drucktank 100 verstärkt sich automatisch die Abdichtung an den Abschlussstücken 120, da das Innenrohr bzw. die thermoplastischen Hülsen 130 verstärkt gegen die metallischen Abschlussstücke 120 gedrückt werden (selbstverstärkende Dichtungsfunktion).

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Drucktanks (100) für die Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, mit den Schritten: - Bereitstellen eines aus thermoplastischem Kunststoff gefertigten Rohrstücks (112'); - Bereitstellen von zwei Abschlussstücken (120) und Anspritzen eines Rings oder einer Hülse (130) aus thermoplastischem Kunststoff an jedes der Abschlusstücke (120); - Verschließen der stirnseitigen Enden des thermoplastischen Rohrstücks (112') mit den Abschlussstücken (120), wozu die angespritzten thermoplastischen Ringe oder Hülsen (130) mit den Stirnflächen des thermoplastischen Rohrstücks (112') verschweißt werden; - Bereitstellen eines aus faserverstärktem Kunststoff gefertigten Rohrstücks (114'), welches auf das mit den Abschlussstücken (120) beidseitig verschlossene thermoplastische Rohrstück (112') aufgeschoben und dann am thermoplastischen Rohrstück (112') und/oder an den Abschlussstücken (120) befestigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussstücke (120) napfartig ausgebildet sind und einen Boden (121) sowie eine den Boden (121) umgebende Umfangswandung (122) aufweisen, wobei beim Anspritzen des thermoplastischen Kunststoffs sowohl die Innenumfangsfläche als auch die Stirnfläche der Umfangswandung (122) überspritzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenumfangsfläche der Umfangswandung (122) Formschlusselemente (123) vorgesehen sind, die mit dem thermoplastischen Kunststoff überspritzt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussstücke (120) aus Metall gefertigt sind und vor dem Anspritzen des thermoplastischen Kunststoffs vorbehandelt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen mittels Infrarotschweißen, Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder Heizelementschweißen erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Rohrstück (112') in einem vorausgehenden Schritt durch Extrusion hergestellt wird, wobei das Verschweißen unter Ausnutzung der Extrusionswärme erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Verschweißen erzeugten Schweißnähte (140) nachbearbeitet werden.
  8. Drucktank (100), der mit einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche hergestellt wurde, aufweisend: - einen Liner (112), der aus einem thermoplastischen Rohrstück (112') gebildet ist; - zwei Abschlussstücke (120), die angespritzte thermoplastische Ringe oder Hülsen (130) aufweisen und hierüber mit den Stirnflächen des thermoplastischen Rohrstücks (112') verschweißt sind, - eine den Liner (112) umhüllende Faserummantelung (114), die aus einem aufgeschobenen FVK-Rohrstück (114') gebildet und am Liner (112) bzw. thermoplastischen Rohrstück (112') und/oder an den Abschlussstücken (120) befestigt ist.
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