DE102019134572A1 - Erzeugen einer Schutzbeschichtung auf einer Tankstruktur - Google Patents

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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutzbeschichtung 2 auf einer Tankstruktur 1, die mindestens teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist. Das Verfahren umfasst ein Aufbringen einer Schicht 21 Liner-Material auf mindestens einen Bereich einer Oberfläche der Tankstruktur 1 mittels Plasmaspritzens und/oder mittels Kaltgasspritzens.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutzbeschichtung auf einer Tankstruktur, die mindestens teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist.
  • Zum Antrieb von Raketentriebwerken oder auch sonstigen Fluggeräten ist die Verwendung kryogener Treibstoffe und Oxidationsmittel wie insbesondere flüssigen Wasserstoffs (LH2) bzw. flüssigen Sauerstoffs (LOX) üblich. Neuere Entwicklungen sehen den Einsatz derartiger Kryogene insbesondere auch für Hyperschallflugzeuge vor.
  • Zum Mitführen der Kryogene können Tanks aus Faserverbundstoffen vorgesehen sein; ein derartiges Material ist vorteilhaft insbesondere bezüglich seiner Masse, zudem kann damit eine besonders hohe Steifigkeit und Haltbarkeit auch bei hohen Temperaturschwankungen erzielt werden, wie sie bei entsprechenden Flügen auftreten.
  • Um zu verhindern, dass der jeweilige Tankinhalt (insbesondere beispielsweise flüssiger Sauerstoff) mit dem Faserverbundwerkstoff chemisch reagiert und/oder (insbesondere beispielsweise im Fall von flüssigem Wasserstoff) in den Faserverbundwerkstoff diffundiert, kann für einen derartigen Tank eine geeignete, auch als „Liner“ bezeichnete Schutzschicht vorgesehen werden. Aus der US 6 837 464 B1 ist ein faserverstärkter und für Flüssigsauerstoff geeigneter Verbundstofftank für Weltraumanwendungen bekannt, der eine derartige Beschichtung umfasst. Die US 2004/0170783 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks, das insbesondere die Impermeabilität des Tanks gewährleisten soll.
  • In der Schrift „Advanced Cryo-Tanks Structural Design Investigated in CHATT“ von Martin Sippel, Alexander Kopp, David Mattsson und Sotiris Koussios (veröffentlicht unter https://elib.dlr.de/89206/1/ESA2014CHATT.pdf) sind zum einen ein Aufkleben einer solchen Schutzschicht auf einen Grundlaminat sowie zum anderen ein Umwickeln eines geformten Liners mit einem Gewebe und ein anschließendes Versiegeln mittels eines Kunstharzes genannt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Technik bereitzustellen, mit der eine Tankstruktur aus Faserverbundwerkstoff mit mindestens einer Schutzschicht hergestellt werden kann.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Figur offenbart.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient dem Erzeugen einer Schutzbeschichtung (also eines sogenannten „Liners“) auf einer mindestens teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff gebildeten Tankstruktur. Das Verfahren umfasst ein Aufbringen einer Schicht Liner-Material mittels Plasmaspritzens und/oder mittels Kaltgasspritzens auf mindestens einen Bereich einer Oberfläche der Tankstruktur; die mindestens eine derart aufgebrachte Schicht bildet dann also mindestens einen Teil der Schutzbeschichtung.
  • Die Tankstruktur kann beispielsweise mindestens ein Teil eines Tanks (insbesondere eines Tankbehälters (beispielsweise zumindest ein Teil von dessen Tank- bzw. Behälterwand)) sein, der zur Aufnahme mindestens einer kryogenen Flüssigkeit eingerichtet bzw. vorgesehen ist. Die Oberfläche der Tankstruktur, auf der die Schutzbeschichtung in mindestens einem Bereich erzeugt wird, ist dann vorzugsweise eine innere Oberfläche, d.h. eine Oberfläche, die dazu eingerichtet bzw. vorgesehen ist, einem Innenraum des Tankbehälters zugewandt zu sein bzw. ihn zu begrenzen. Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen umfasst der Bereich (auf dem die mindestens eine Schicht aufgebracht wird) mindestens 80%, mindestens 90% oder mindestens 95% der inneren Oberfläche der Tankstruktur. Die Schutzbeschichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, eine Barriere zwischen der in den Tankbehälter einzufüllenden Flüssigkeit und dem Faserverbundwerkstoff zu bilden.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit auf einfache Weise das Erzeugen einer jeweils geeigneten Schutzbeschichtung und damit die Herstellung eines Tanks, der durch die Schutzbeschichtung vor einem Eindringen des jeweiligen Tankinhalts in den Faserverbundstoff sowie vor einer chemischen Reaktion eines jeweiligen Tankinhalts mit dem Faserverbundstoff (insbesondere vor einer Oxidation) geschützt ist. Zudem kann die Schutzbeschichtung eine thermische Isolationswirkung haben, so dass Wärmeflüsse in die kryogene Flüssigkeit reduziert werden können.
  • Der Faserverbundwerkstoff, aus dem die Tankstruktur mindestens teilweise gebildet ist bzw. besteht, kann insbesondere glasfaser- und/oder kohlenstofffaserverstärkt sein. Vorteile der Anwendung von thermischen Spritzverfahren auf kohlenstofffaserverstärkte Polymere sind unter https://www.ifkb.uni-stuttgart.de/en/research/coating/ coatingcfrp/ beschrieben.
  • Insbesondere kann die Tankstruktur als Tankbehälter (und damit als Hohlkörper) ausgebildet sein; ein Spritzbrenner, der beim erfindungsgemäßen Aufbringen der Schicht Liner-Material verwendet wird, kann dann mindestens teilweise durch eine Öffnung des Tankbehälters in dessen Inneres eingeführt werden; die Öffnung kann dabei beispielsweise zur Ausbildung eines Tankausgangs und/oder Tankeingangs vorgesehen sein. Somit kann die Schutzbeschichtung erfindungsgemäß auf einfache Weise und gleichwohl in gleichmäßiger Qualität bzw. Homogenität im Inneren eines derartigen Tankbehälters erzeugt werden.
  • Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Aufbringen der Schicht ein Pulver und/oder ein Draht eingedüst bzw. eingebracht bzw. verwendet, das bzw. der mindestens ein Metall, mindestens ein Metalloxid, mindestens einen (beispielsweise mindestens teilweise organischen) Kunststoff und/oder mindestens einen anorganischen, insbesondere keramischen Werkstoff enthält oder sogar ausschließlich aus einem der genannten Materialien besteht; das Liner-Material umfasst dann also das jeweilige Material. Auf diese Weise können für die vorgesehene Verwendung der Tankstruktur jeweils besonders geeignete Eigenschaften der Schutzbeschichtung erzeugt werden.
  • Die Schicht kann mit einer (zumindest im Wesentlichen, insbesondere in wenigstens 95% des mindestens einen Bereichs der Oberfläche) gleichmäßigen Schichtdicke aufgebracht werden. Insbesondere kann auf diese Weise eine durchgehend (im Wesentlichen) gleichmäßige Materialeigenschaft des beschichteten Bereichs bzw. (in entsprechenden Ausführungsformen) der beschichteten Bereiche der Tankstruktur bewirkt werden, beispielsweise eine gleichmäßige thermische Isolationswirkung.
  • Alternativ kann die Schicht in mindestens einem ersten Teilbereich der Oberfläche dicker aufgebracht werden als in einem zweiten Teilbereich der Oberfläche; die Teilbereiche (als jeweilige Teile des mindestens einen Bereichs) können dabei voneinander beabstandet sein oder aneinander angrenzen. Die Schutzbeschichtung kann damit also so erzeugt werden, dass sie je nach Teilbereich unterschiedliche Schichtdicken aufweist. Damit kann die Schutzbeschichtung an ihre jeweilige Position an der Tankstruktur bzw. an die jeweils vorgesehene Position im in ein Fluggerät (beispielsweise eine Rakete) eingebauten Tank angepasst werden. Beispielsweise kann der erste Teilbereich der Oberfläche zu einem Abschnitt der Tankstruktur gehören (diesen also begrenzen), der im ins Fluggerät eingebauten Zustand stärkeren thermischen Schwankungen oder sonstigen Belastungen ausgesetzt ist als ein Abschnitt, zu dessen Oberfläche der zweite Teilbereich gehört.
  • Das Plasmaspritzen kann insbesondere ein atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), ein Schutzgas-Plasmaspritzen, ein Vakuum-Plasmaspritzen (VPS), ein Überdruck-Plasmaspritzen, ein Induktionsplasmaspritzen, ein flüssigkeitsstabilisiertes Plasmaspritzen und/oder ein Kalt-Plasmaspritzen umfassen; letzteres wird insbesondere unter https://www.ist.fraunhofer.de/en/technologies/plasma-particletechnology/cold-plasma-spraying.html beschrieben.
  • Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine mehrschichtige Schutzbeschichtung erzeugt. Eine solche kann dann zusätzlich zur genannten, auf die Oberfläche der Tankstruktur aufgebrachten und im Folgenden als „erste Schicht“ bezeichneten Schicht wenigstens eine zweite Schicht umfassen, die vorzugsweise ebenfalls mittels Plasmaspritzens und/oder mittels Kaltgasspritzens aufgebracht wird. Die wenigstens eine zweite Schicht kann dabei zumindest teilweise auf die erste Schicht (zeitlich vorzugsweise mindestens bereichsweise nach der ersten Schicht) aufgebracht werden, so dass also die erste Schicht mindestens teilweise von der zweiten Schicht bedeckt ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die wenigstens eine zweite Schicht mindestens bereichsweise in einer anderen Oberflächenregion als die erste Schicht direkt auf die Oberfläche der Tankstruktur aufgebracht werden.
  • Insbesondere kann die erste Schicht dieselbe, eine größere oder eine kleinere flächige Ausdehnung aufweisen wie/als die zweite Schicht.
  • Die erste und die wenigstens eine zweite Schicht können mittels desselben oder mittels voneinander verschiedener (vorzugsweise jeweils thermischer) Spritzverfahren aufgebracht werden; im letzteren Fall kann beispielsweise mindestens eine der genannten Schichten mittels Plasmaspritzens und mindestens eine Schicht mittels Kaltgasspritzens aufgebracht werden, und/oder mindestens eine der Schichten mittels einer ersten Art des Plasmaspritzens (z.B. APS) und mindestens eine weitere der Schichten mittels einer zweiten, von der ersten verschiedenen Art des Plasmaspritzens (z.B. VPS) .
  • Die zwei oder mehr Schichten (insbesondere die genannte erste und zweite Schicht) einer mittels einer solchen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Schutzbeschichtung können mit voneinander verschiedenen Schichtdicken und/oder Zusammensetzungen (ihrer jeweiligen Liner-Materialien) aufgebracht werden. Insbesondere kann eine der Schichten mit (zumindest im Wesentlichen) gleichmäßiger Schichtdicke aufgebracht werden und eine andere der Schichten wie erwähnt in einem ersten Teilbereich mit einer anderen Schichtdicke als in einem zweiten Teilbereich.
  • Die erfindungsgemäße Aufbringung durch Plasmaspritzen und/oder durch Kaltgasspritzen erlaubt somit auf einfache Weise eine besonders flexible Anpassung an eine jeweils vorgesehene Verwendung.
  • Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren demgemäß ein Auswählen einer Schichtdicke, einer Materialzusammensetzung der Schicht(en), einer Anzahl an Schicht(en), eines Bereichs zum Auftragen einer jeweiligen Schicht und/oder eines jeweiligen Spritzverfahrens (jeweils ggf. in einem jeweiligen Bereich) abhängig von einem vorgesehenen Tankinhalt und/oder einer intendierten Isolationswirkung bzw. von jeweiligen (ggf. lokalen) thermischen Einflüssen, die für einen eingebauten Zustand der Tankstruktur (ggf. in dem jeweiligen Bereich) vorherzusehen sind. Damit kann die Schutzbeschichtung für die jeweils vorgesehene Verwendung der Tankstruktur optimiert werden.
  • Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne Elemente und Komponenten auch anders kombiniert werden können, als dargestellt ist, sowie dass reale Größenverhältnisse von den dargestellten abweichen können.
  • Es zeigt schematisch:
    • 1: einen mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer exemplarischen Ausführungsform hergestellten Tank.
  • In 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Tankstruktur 1 gezeigt, die mindestens teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff besteht und vorliegend als ein Tankbehälter mit einem Innenraum 3 ausgebildet ist.
  • Auf der inneren (also dem Innenraum 3 zugewandten bzw. den Innenraum 3 begrenzenden) Oberfläche der Tankstruktur 1 wurde mittels einer exemplarischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens eine Schutzbeschichtung 2 erzeugt. Die Schutzbeschichtung 2 ist dabei vorliegend mehrschichtig ausgebildet: Eine erste Schicht 21 wurde erfindungsgemäß durch Aufbringen eines Liner-Materials (vorliegend direkt) auf die innere Oberfläche der Tankstruktur mittels Plasmaspritzens und/oder mittels Kaltgasspritzens mit einer gleichmäßigen Schichtdicke erzeugt.
  • Eine zweite Schicht 22 wurde (vorzugsweise mindestens bereichsweise nach dem Aufbringen der ersten Schicht) durch Aufbringen desselben oder eines anders zusammengesetzten Liner-Materials auf die erste Schicht 21 erzeugt, vorzugsweise wiederum mittels Plasmaspritzens und/oder mittels Kaltgasspritzens. Das jeweilige Spritzverfahren kann dabei dasselbe oder ein anderes sein wie/als das zum Erzeugen der ersten Schicht 21 angewandte.
  • Beim Aufbringen der ersten Schicht 21 und/oder der zweiten Schicht 22 kann vorzugsweise ein Pulver und/oder ein Draht eingebracht bzw. verwendet worden sein, das/der mindestens ein Metall, mindestens ein Metalloxid, mindestens einen (organischen) Kunststoff und/oder mindestens einen anorganischen, insbesondere keramischen Werkstoff enthält oder sogar ausschließlich aus einem der genannten Materialien besteht.
  • Die zweite Schicht 22 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine im Wesentlichen gleichmäßige Schichtdicke auf, die vorliegend mit der gleichmäßigen Schichtdicke der ersten Schicht 21 übereinstimmt.
  • Durch die Auswahl der jeweiligen Substanzen sowie eine jeweilige Ausbildung (z.B. Schichtdicke) der Schichten kann die Beschichtung 2 erfindungsgemäß so ausgebildet werden, dass sie sowohl einen Schutz vor einem Eindringen einer im Tankinneren 3 ggf. enthaltenen (nicht dargestellten) kryogenen Flüssigkeit in den Faserverbundwerkstoff der Tankstruktur 1 bietet als auch eine durch die kryogene Flüssigkeit bewirkte Oxidation verhindert oder zumindest reduziert. Gleichzeitig kann dabei eine thermische Isolationswirkung erzielt werden, um Wärmeflüsse in die kryogene Flüssigkeit zu reduzieren.
  • Offenbart ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutzbeschichtung 2 auf einer Tankstruktur 1, die mindestens teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist. Das Verfahren umfasst ein Aufbringen einer Schicht 21 Liner-Material auf mindestens einen Bereich einer Oberfläche der Tankstruktur 1 mittels Plasmaspritzens und/oder mittels Kaltgasspritzens.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Tankstruktur in Form eines Tankbehälters
    2
    Schutzbeschichtung
    21
    erste Schicht
    22
    zweite Schicht
    3
    Innenraum des Tankbehälters
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6837464 B1 [0004]
    • US 2004/0170783 A1 [0004]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Erzeugen einer Schutzbeschichtung (2) auf einer mindestens teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff gebildeten Tankstruktur (1), wobei das Verfahren ein Aufbringen einer Schicht (21) Liner-Material auf mindestens einen Bereich einer Oberfläche der Tankstruktur (1) mittels Plasmaspritzens und/oder mittels Kaltgasspritzens umfasst.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei beim Aufbringen ein Pulver und/oder ein Draht eingedüst bzw. eingebracht bzw. verwendet wird, das bzw. der - mindestens ein Metall; - mindestens ein Metalloxid; - mindestens einen Kunststoff; und/oder - mindestens einen anorganischen, insbesondere keramischen Werkstoff enthält oder sogar ausschließlich aus einem der genannten Materialien besteht.
  3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Schicht (21) in einer im Wesentlichen gleichmäßigen Schichtdicke aufgebracht wird.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Schicht in einem ersten Teilbereich der Oberfläche dicker aufgebracht wird als in einem zweiten Teilbereich der Oberfläche.
  5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Plasmaspritzen - ein atmosphärisches Plasmaspritzen, - ein Schutzgas-Plasmaspritzen, - ein Vakuum-Plasmaspritzen, - ein Überdruck-Plasmaspritzen, - ein Induktionsplasmaspritzen, - ein flüssigkeitsstabilisiertes Plasmaspritzen und/oder - ein Kalt-Plasmaspritzen umfasst.
  6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (21) eine erste Schicht ist und das Verfahren weiterhin ein Aufbringen einer zweiten Schicht (22) umfasst, wobei die zweite Schicht (22) - eine andere Materialzusammensetzung aufweist als die erste Schicht (21) und/oder - mittels desselben oder eines anderen Spritzverfahrens, insbesondere eines anderen Plasmaspritzverfahrens aufgebracht wird.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die zweite Schicht (22) - mindestens teilweise auf der ersten Schicht (21) und/oder - mindestens teilweise in einer anderen Oberflächenregion als die erste Schicht (21) aufgebracht wird.
  8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein Auswählen - einer Schichtdicke, - einer Materialzusammensetzung der Schicht/en (21, 22), - einer Anzahl an Schichten (21, 22) und/oder - eines jeweiligen Spritzverfahrens abhängig von einem vorgesehenen Tankinhalt und/oder einer intendierten Isolationswirkung bzw. von jeweiligen thermischen Einflüssen umfasst, die für einen eingebauten Zustand der Tankstruktur vorherzusehen sind.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6837464B1 (en) 1998-05-11 2005-01-04 Lockheed Martin Corporation Lox-compatible composite tank for aerospace applications

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