DE102020127874A1

DE102020127874A1 - Verfahren zur Herstellung eines Behälters

Info

Publication number: DE102020127874A1
Application number: DE102020127874.8A
Authority: DE
Inventors: Sascha Larch
Original assignee: Additive Space GmbH
Current assignee: Additive Space GmbH
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2021-05-12
Also published as: DE202020106328U1; EP4232615A1; DE102020129355A1; WO2022084411A1; US20230332742A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters (1) mit einem Behälterkorpus (10), der eine Wandung (12) aufweist, wobei der Behälterkorpus (10) mit zumindest einer Öffnung (1 1') versehen ist, zeichnet sich aus durch die Schritte:a) Herstellen des Behälterkorpus (10) mit einer Wandung (12), die eine äußere Wandungsschicht (13) aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff sowie eine von einem Faserverbundwerkstoff gebildete innere Zwischenschicht (14) auf der zur Innenseite (10') des Behälterkorpus' (10) weisenden Innenseite (13') der äußeren Wandungsschicht (13) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der inneren Zwischenschicht (14) mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet ist;b) Beschichten der Wandung (12) des Behälterkorpus' (10) auf der zur Innenseite (10') des Behälterkorpus' (10) weisenden Oberfläche (14') der inneren Zwischenschicht (14) mit zumindest einer metallischen Oberflächenschicht (16) mittels einer durch die Öffnung (1 1') eingeführten Spritzvorrichtung (3) durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters, insbesondere eines Drucktanks, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Behälter. Ein besonderes technisches Gebiet, in dem das Verfahren gemäß der Erfindung angewendet wird, ist die Herstellung von so genannten „Composite Overwrapped Pressure Vessels“ (COPV).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Derartige Behälter werden besonders in der Raumfahrttechnik als Drucktanks, beispielsweise als Treibstoff-Drucktanks, eingesetzt, finden aber auch, zum Beispiel als Treibstoff-Drucktanks, zum Beispiel Wasserstofftanks, bei Land-, Luft- und Wasserfahrzeugen Verwendung. Aus Gewichtsgründen werden derartige Tanks häufig aus Kunststoff, insbesondere aus einem Faserverbundwerkstoff, hergestellt, um die von der Druckdifferenz zwischen dem unter Überdruck stehenden Behälterinneren und der Umgebung, die in der Raumfahrt regelmäßig ein Vakuum ist, erzeugten Kräfte trotz niedrigen Materialgewichts wirksam abstützen zu können. Das gleiche trifft für Behälter zu, deren Innenraum unter Unterdruck gegenüber der Umgebung steht (zum Beispiel Luftfahrzeug-Abwassertanks). Derartige Tanks mit einer Wandung aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff sind aber häufig gegenüber den zu speichernden Gasen oder Flüssigkeiten chemisch nicht resistent oder (insbesondere bei Helium oder Wasserstoff) nicht ausreichend dicht.
Daher bestehen solche Drucktanks heute üblicherweise aus einem dünnen metallischen Liner, der mit dem Faserverbundwerkstoff umwickelt und durch Kleben verbunden ist, um den Liner gegen Bersten zu sichern. Ein Problem dabei ist, dass der metallische Liner und der Faserverbundwerkstoff bei den im Weltraum herrschenden großen Temperaturdifferenzen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen und Schrumpfungen unterliegen oder infolge einer Befüllung mit kryogenen Treibstoffen schon bei der Befüllung des Drucktanks starken Temperaturänderungen und -schwankungen unterworfen sind. Der beispielsweise aus Titan bestehende Liner ist aus Blechen umgeformt (zum Beispiel aus zwei gezogenen Halbkugeln als Dom und einem gebogenen Blech mit Längsnaht als Zylinder) und einschließlich der Anschlussflansche verschweißt. Die Oberfläche des metallischen Liners muss in der Regel vor dem Klebe- und Umwickelungsprozess vorbereitet und mit einem Primer versehen werden, um eine ausreichende Anbindung des Faserverbundwerkstoffs an die Oberfläche des metallischen Liners sicherzustellen. Anschließend wird der zunächst nur vom Liner gebildete Behälter zur Stabilisierung unter Überdruck gesetzt und mit dem Faserverbundwerkstoff umwickelt oder anderweitig umgeben und ausgehärtet.
Insbesondere im Falle von Unterdruck im Inneren des Behälters, aber auch bei häufigen Temperaturschwankungen über große Temperaturbereiche, wie sie regelmäßig in der Raumfahrttechnik auftreten, besteht dennoch das Risiko, dass der metallische Liner sich von der ihn umgebenden Struktur der Wandung aus Faserverbundwerkstoff ablöst und kollabiert oder reißt.
STAND DER TECHNIK
Aus der DE 197 47 384 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern bekannt, bei dem ein beispielsweise aus Kunststoff oder Keramik bestehender Grundkörper durch thermisches Spritzen nach dem Kaltgas-Spritzverfahren mit einer Schicht aus Metall überzogen wird, um die mechanische Stabilität des Grundkörpers zu verstärken oder ihn gasdicht oder vakuumdicht zu machen.
Die DE 197 47 386 A1 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum thermischen Beschichten von Substratwerkstoffen, beispielsweise auch von Verbundwerkstoffen, mit zum Beispiel einem Metall oder einer Metall-Legierung mittels Kaltgasspritzens.
Aus der CH 538 549 A ist ein Verfahren zur Aufbringung von Oberflächenschutzschichten aus Kunststoff bekannt, bei welchem ein zu beschichtender Körper eine Wandung aus einem Faser-Kunstharz-Komposit aufweist. Auf dieses Faser-Kunstharz-Komposit wird zunächst eine Zwischenschicht aus einem Gewebe mit Längs- und Querfäden, die mit dem Kunstharz laminiert sind, aufgebracht. Auf dieser Zwischenschicht wird mittels Flammspritzens eine Oberflächenschutzschicht aus metallischen oder keramischen Stoffen aufgetragen.
Zwar sind diese thermischen Beschichtungsverfahren seit langem bekannt, doch werden zur Auskleidung von Behältern, insbesondere von Drucktanks, noch immer die oben beschriebenen Liner aus Metallblech vorgesehen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren so auszubilden, dass bei niedrigem Gesamtgewicht eines herzustellenden Behälters dieser auch bei großen Temperatur- und/oder Druckschwankungen zuverlässig gasdicht sowie chemisch inert und resistent ist und bleibt, sowie einen entsprechenden Behälter zu schaffen.
Der auf das Verfahren gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters mit einem Behälterkorpus, der eine Wandung aufweist, wobei der Behälterkorpus mit zumindest einer Öffnung versehen ist, weist erfindungsgemäß folgende Schritte auf:

a) Herstellen des Behälterkorpus' mit einer Wandung (12), die eine äußere Wandungsschicht (13) aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff sowie eine von einem Faserverbundwerkstoff gebildete innere Zwischenschicht (14) auf der zur Innenseite (10') des Behälterkorpus' (10) weisenden Innenseite (13') der äußeren Wandungsschicht (13) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der inneren Zwischenschicht (14) mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet ist;
b) Beschichten der Wandung des Behälterkorpus' auf der zur Innenseite des Behälterkorpus' weisenden Oberfläche (14') der inneren Zwischenschicht (14) mit zumindest einer metallischen Oberflächenschicht mittels einer durch die Öffnung eingeführten Spritzvorrichtung durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen.

VORTEILE
Durch das Sprühen der Oberflächenbeschichtung auf die Innenseite des Behälters mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wie beispielsweise mittels thermischen Spritzens, insbesondere mittels Kaltgasspritzens, kann diese Oberflächenbeschichtung äußerst dünn und dennoch intensiv haftend auf die Wandung des Behälters aufgebracht werden und so einen hauchdünnen metallischen Liner bilden. Dies führt nicht nur zu einer deutlichen Masseersparnis gegenüber der klassischen Fertigung eines solchen Behälters mit einem Metall-Liners aus Blech, sondern erspart auch aufwendige Blechumform-, Schweiß- und Oberflächenvorbereitungsarbeiten. Zudem gewährleistet die intensive Haftung der mittels des thermischen Spritzverfahrens gesprühten Oberflächenbeschichtung eine innige Anbindung der Oberflächenbeschichtung an die Wandung des Behälters, insbesondere wenn diese aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, und reduziert das Risiko des Ablösens der Oberflächenbeschichtung von der Behälterwandung deutlich, da die Metallpartikel in die Oberfläche der Behälterwandung eindringen und eine mechanische Formschlussverbindung ausbilden.
Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Auskleiden mit einem aus Metallblech gefertigten Liner besteht darin, dass im Falle von bei einer Qualitätskontrolle festgestellten Fehlern (zum Beispiel Unterwanddicke oder Kratzer in der Oberflächenbeschichtung) Reparaturmaßnahmen an der den Liner bildenden Oberflächenbeschichtung durch nochmaliges Spritzen problemlos durchgeführt werden können. Auch sind noch Nachbesserungen umsetzbar, wenn es sich zum Beispiel aufgrund eines Ergebnisses aus einem Qualifikationsversuch herausstellen sollte, dass eventuell lokale Verstärkungen des metallischen Liners am späteren Flugmodell erforderlich sind.
Die Ausgestaltung der Zwischenschicht aus einem Faserverbundwerkstoff mit in Kunstharz laminierten Fasern, vorzugsweise Glasfasern oder Kohlefasern, wobei zumindest einige der einzelnen Fasern vor dem Laminieren an ihrer jeweiligen Oberfläche mit einem Metall beschichtet, beispielsweise bedampft, worden ist, sorgt für eine hohe Impakt-Festigkeit der Oberfläche der Fasern, wodurch das Risiko der Beschädigung der einzelnen Fasern beim Auftreffen der während des thermischen Spritzens, besonders während des Kaltgasspritzens, im Schritt b) aufgespritzten Metallpartikel reduziert wird. Die Oberflächenbeschichtung mit metallischem Material mittels des thermischen Spritzens im Schritt b) bewirkt durch das (teilweise) Eindringen der auf die metallische Faseroberfläche der Zwischenschicht gespritzten Metallpartikel in das metallische Material eine innige mikroskopisch formschlüssige Gefügeverbindung der metallischen Oberflächenbeschichtung mit den metallischen Faseroberflächen. Zudem ist die Haftung der aufgespritzten Metallpartikel auf der Metalloberfläche der Fasern besser als bei nicht mit Metall beschichteten Fasern.
Die innere Zwischenschicht, die fest mit der äußeren Wandungsschicht verhaftet ist, schützt die äußere Wandungsschicht, insbesondere die für deren Festigkeit verantwortlichen Fasern (zum Beispiel die metallbeschichteten Kohlefasern oder Glasfasern) vor einer Beschädigung durch beim thermischen Spritzen auf die Innenseite des Behälterkorpus' auftreffende und eventuell sogar darin eindringende Metallpartikel. Aufgespritzte Metallpartikel dringen so allenfalls in die Zwischenschicht ein, um sich und damit die metallische Oberflächenbeschichtung in der Zwischenschicht fest zu verankern.
Damit auch zwischen der äußeren Wandungsschicht und der Zwischenschicht eine ferste Verbindung entsteht, enthält die Matrix der Zwischenschicht vorzugsweise das gleiche Kunststoffmaterial wie die äußere Wandungsschicht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die äußere Wandungsschicht aus einem Faserverbundwerkstoff besteht oder diesen aufweist und wenn das Kunststoffmaterial der Zwischenschicht dem Matrixmaterial dieses Faserverbundwerkstoffs der äußeren Wandungsschicht entspricht.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 13.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Verfahrens, wenn der Behälterkorpus einteilig ausgebildet ist. Dabei kann zuerst der Behälterkorpus, gegebenenfalls bereits mit Anschlussflanschen, gefertigt werden und dann kann die metallische Oberflächenbeschichtung auf die Innenseite des Behälters aufgesprüht werden.
Das Verfahren ist aber auch anwendbar, wenn der Behälterkorpus mehrteilig ausgebildet ist. In diesem Fall werden zunächst die einzelnen Behälterteile gefertigt und auf ihrer jeweiligen Innenseite wird die jeweilige Oberflächenbeschichtung aufgesprüht und dann werden die Behälterteile zum Behälter zusammengebaut.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wandung des Behälterkorpus' im Schritt a) aus einem Faserverbundwerkstoff in Prepreg-Bauweise oder in Nasswickelbauweise gebildet wird. Diese Fertigungsarten der Wandung sorgen für eine hohe mechanische Stabilität, so dass die dünne metallische Oberflächenbeschichtung nahezu keine druckdifferenzbedingten oder temperaturdifferenzbedingten Lasten und/oder Dehnungen aufnehmen muss.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Wandung des Behälterkorpus' aus einem duktilen Matrixkunststoff gebildet wird oder diesen aufweist. Hierbei ist das Risiko, dass der Kunststoff in seiner Festigkeit durch das Auftreffen und Eindringen von Metallpartikeln beim thermischen Spritzen, insbesondere beim Kaltgasspritzen, beeinträchtigt wird, deutlich herabgesetzt.
Dieser Vorteil kann auch erzielt werden, wenn die Wandung des Behälterkorpus' als Laminat gebildet wird, insbesondere wenn das Laminat von einem Kurzfaserlaminat gebildet ist oder ein solches aufweist oder wenn dass das Laminat von einem Sheet Molding Compound gebildet ist oder ein solches aufweist.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundgewebes der inneren Zwischenschicht mit Kupfer, mit Nickel oder mit einer wärmeausdehnungsinvarianten Legierung von Metallen beschichtet sind.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die innere Zwischenschicht ein Faserverbundgewebe aufweist oder aus einem solchen gebildet ist.
Vorzugsweise wird dabei die Wandung des Behälterkorpus' im Schritt a) aus einem Faserverbundwerkstoff in folgenden Teilschritten gebildet:

a1) Aufbringen der inneren Zwischenschicht auf zumindest einen Formkörper;
a2) Aufbringen der äußeren Wandungsschicht aus dem Faserverbundwerkstoff auf die innere Zwischenschicht;
a3) Aushärten der Wandung.

Dadurch, dass im Schritt a2) die Wandungsschicht auf die im Schritt a1) aufgebrachte und noch nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtete Zwischenschicht aufgebracht wird, verbindet sich das Kunststoffmaterial der Zwischenschicht auf ideale Weise mit dem Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs der äußeren Wandungsschicht und härtet im Schritt a3) gemeinsam zu einer integralen Wandung aus. Nach dem Aushärten wird der Formkörper aus dem so gebildeten Behälterkorpus entfernt, zum Beispiel herausgeschmolzen, zerlegt oder entspannt, und es folgt dann das Beschichten der Wandung von innen gemäß Schritt b). Grundsätzlich ist es aber auch möglich und von der Erfindung umfasst, alternativ zuerst die innere Zwischenschicht auszuhärten, bevor die äußere Wandungsschicht aufgebracht wird.
Vorzugsweise wird die innere Zwischenschicht von einem mit einer Kunststoffmatrix getränkten Faserverbundgewebe gebildet, das beispielsweise Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern (zum Beispiel aus Kevlar^® oder Nomex^®) oder andere Fasern aufweist. Diese Art Zwischenschicht ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die äußere Wandung aus einem Faserverbundwerkstoff mit unidirektionalem Faserverlauf gebildet ist oder einen solchen aufweist. Durch das Vorsehen der Zwischenschicht mit einem Faserverbundgewebe werden die aufgrund des Sprühprozesses auftreffenden Metallpartikel, die mit der Wandung eine dauerhafte Verbindung eingehen müssen, einen besseren Widerhalt aufbauen und gleichzeitig wird das Risiko einer Beschädigung der unidirektional ausgerichteten Fasern der äußeren Wandungsschicht ebenso signifikant reduziert wie ein durch eine mögliche Vorschädigung der unidirektional ausgerichteten Fasern der äußeren Wandungsschicht gebildetes Risiko, da das Faserverbundgewebe der inneren Zwischenschicht auch ohne den Matrix-Kunststoff bereits einen Formschluss bildet und ein zweiachsiges Tragverhalten besitzt.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet, wenn der Faserverbundwerkstoff ein Kohlefaserverbundwerkstoff oder ein Glasfaserverbundwerkstoff ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit anderen Ausführungsformen des Verfahrens kombinierbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass zur Bildung der Oberflächenbeschichtung zumindest eines der Metalle Aluminium, Titan, Edelstahl, Kupfer oder Nickel und/oder zumindest eine Legierung von Metallen, wie beispielsweise Eisen-Nickel-Legierungen, vorzugsweise wärmeausdehnungsinvariante Eisen-Nickel-Legierungen, wie sie beispielsweise unter der geschützten Markenbezeichnung Invar^® bekannt sind, mit dem thermischen Spritzverfahren, insbesondere durch Kaltgasspritzen, aufgebracht wird,.
Der auf den Behälter gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 14, nämlich durch einen Behälter mit einem Behälterkorpus, der eine Wandung mit einer äußeren Wandungsschicht aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff sowie einer von einem Faserverbundwerkstoff gebildeten inneren Zwischenschicht auf der zur Innenseite des Behälterkorpus' weisenden Innenseite der äußeren Wandungsschicht aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der inneren Zwischenschicht mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet ist, wobei die zur Innenseite des Behälterkorpus' weisenden Oberfläche der inneren Zwischenschicht mit zumindest einer durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Kaltgasspritzen, aufgebrachten metallischen Oberflächenschicht versehen ist. Dieser Behälter ist dabei bevorzugt nach einem Verfahren der Erfindung hergestellt. Auch wenn nur ein Teil der Fasern, also einige der Fasern, der inneren Zwischenschicht an ihrer jeweiligen Oberfläche metallbeschichtet sein können, sind bevorzugterweise alle Fasern des Faserverbundwerkstoffs der inneren Zwischenschicht mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet.
Vorzugsweise weist der Faserverbundwerkstoff der inneren Zwischenschicht ein Fasergewebe oder ein Fasergewirke aus den metallbeschichteten Fasern auf. Dabei können alle Fasern des Fasergewebes oder Fasergewirkes oder nur einige Fasern metallbeschichtet sein. Vorzugsweise sind im Fall eines Fasergewebes sowohl in eine erste Richtung verlaufende Fasern als auch in eine zweite, im Winkel zur ersten Richtung verlaufende Fasern des Gewebes metallbeschichtet.
Die einzelnen Fasern werden vor dem Herstellen des Fasergewebes oder Fasergewirkes mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet, beispielsweise bedampft oder mittels CVD (chemical vapour deposition) beschichtet. Die einzelnen metallbeschichteten Fasern weisen einen nichtmetallischen Faserkern, beispielsweise aus Glasfaser- oder Kohlefasermaterial, und eine metallische äußere Oberfläche auf, wobei das Metall vorzugsweise Kupfer oder Nickel oder eine wärmeausdehnungsinvariante Legierung von Metallen ist oder aufweist. Es können aber auch andere Metalle oder Metall-Legierungen zur Beschichtung der Fasern vorgesehen sein.
Insbesondere bildet der erfindungsgemäße Behälter einen Drucktank, der beispielsweise in der Raumfahrttechnik als Satelliten- oder Raketentank Verwendung findet. Ebenso kann der erfindungsgemäße Behälter als Drucktank für Treibstoffe in Land-, Luft- oder Wasserfahrzeugen eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Behälter kann aber auch als Drucktank für Atemgase eingesetzt werden, wie er beispielsweise für so genannte „Weltraumspaziergänge“ (Extra Vehicular Activities - EVA) in oder an Raumanzügen oder auf der Erde beim Tauchen oder für Atemschutzzwecke und zur Atemluftversorgung bei der Feuerwehr, beim Militär oder im Katastrophenschutz benötigt wird.
Das erfindungsgemäße Aufbringen von zumindest einer dünnen metallischen Schicht auf die Innenseite einer Behälterwandung aus Faserverbundwerkstoff (FVW) oder aus einem anderen nichtmetallischen Werkstoffe mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzens, dient der Verbesserung der Grundeigenschaften des Materials der Behälterwandung. Es werden folgende Grundeigenschaften dadurch verbessert:

- die chemische Verträglichkeit, zum Beispiel gegenüber flüssigem Sauerstoff;
- die Permeabilität beziehungsweise Dichtigkeit, zum Beispiel gegenüber Wasserstoff oder Helium;
- die thermischen Eigenschaften und
- die mechanischen Eigenschaften.

Eine wesentliche, vom Erfinder gelöste technologische Herausforderung bei der Lösung der Aufgabe bestand - neben der Sicherstellung der gewünschten Schichtdicke der inneren Oberflächenbeschichtung und deren Eigenschaften (zum Beispiel Festigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Homogenität etc.) - in der Überwindung von zum Teil widersprüchlichen Anforderungen bezüglich:

- eines ausreichend guten Haftens der gesprühten metallischen Oberflächenbeschichtung auf der Behälterwandung und
- der Vermeidung einer Schädigung des Trägermaterials (zum Beispiel des Faserverbundwerkstoffs oder des Kunststoffs der Behälterwandung.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
Figurenliste
Es zeigt:

1 Den teilweise geschnittenen Behälterkorpus beim Schritt der Herstellung gemäß einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 den geschnitten dargestellten Behälterkorpus aus 1 beim Schritt der Beschichtung der Wandung des Behälterkorpus' auf dessen Innenseite mittels Kaltgasspritzens.

DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
In 1 ist ein Behälterkorpus 10 eines erfindungsgemäßen Behälters 1 in der Phase der Fertigung des Behälterkorpus' 10 dargestellt. Die Wandung 12 des Behälterkorpus' 10 besteht aus einer äußeren Wandungsschicht 13, die im gezeigten Beispiel aus einem Faserverbundwerkstoff mit unidirektional ausgerichteten Fasern mit einer Kreuzwicklung besteht, und einer auch als Zwischenschicht bezeichneten inneren Wandungsschicht 14, die ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, dessen Matrixmaterial im Wesentlichen dem Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs der äußeren Wandungsschicht 13 entspricht.
Zur Fertigung des Behälterkorpus' 10 wird zunächst ein Formkörper 2 bereitgestellt, auf den die innere Wandungsschicht 14 aufgetragen wird. Die innere Wandungsschicht 14 weist einen Faserverbundwerkstoff, beispielsweise ein Faserverbundgewebe oder Faserverbundgewirke mit einem flüssigen, aushärtbaren Kunststoff als Matrixmaterial auf, der beispielsweise zunächst auf den - vorzugsweise mit einem Trennmittel versehenen - Formkörper 2 aufgestrichen oder aufgesprüht wird und auf den dann das Faserverbundgewebe oder Faserverbundgewirke aufgebracht wird. Das Faserverbundgewebe oder Faserverbundgewirke kann aber beispielsweise auch in Form von so genannten Prepregs vorliegen und im unausgehärteten Zustand auf den Formkörper 2 aufgelegt werden. Die auch als Zwischenschicht bezeichnete Wandungsschicht 14 bildet somit als Faserverbundschicht eine geschlossene, die Oberfläche 2' des Formkörpers 2 umhüllende Kunststoffschicht.
So lange die innere Wandungsschicht 14 noch nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtet ist, wird auf die innere Wandungsschicht 14 eine äußere Wandungsschicht 13 aus einem weiteren Faserverbundmaterial mit unidirektional ausgerichteten Fasern aufgebracht, vorzugsweise wird der mit der inneren Wandungsschicht 14 versehene Formkörper 2 mit diesem unidirektionalen Faserverbundmaterial umwickelt. Da die Kunststoffmatrix des Faserverbundmaterials der äußeren Wandungsschicht 13 im Wesentlichen dem Matrixmaterial der inneren Wandungsschicht 14 entspricht - vorzugsweise wird hier der gleiche Kunststoff verwendet - gehen die beiden Wandungsschichten 13, 14 eine enge Verbindung ein und vernetzen im Idealfall miteinander.
Um einen Zugang zu dem späteren hohlen Behälterkorpus 10 zu schaffen, kann im Zuge der Herstellung der beiden Wandungsschichten 13, 14 ein mit einer Durchgangsöffnung 11' versehener Anschlussflansch 11 in die Wandung 12 des Behälterkorpus' 10 mit einlaminiert werden. Im gezeigten Beispiel ist an der Unterseite des in 1 dargestellten Behälterkorpus' 10 ein solcher Anschlussflansch 11 vorgesehen. Dieser Anschlussflansch kann beispielsweise aus einem Metall oder ebenfalls aus Kunststoff, Faserverbundwerkstoff oder auch aus Keramik bestehen.
Nachdem die Wandung 12 in der beschriebenen Weise über dem Formkörper 2 aufgebaut worden ist, wird der Behälterkorpus 10 in dem Fachmann an sich bekannter Weise ausgehärtet. Nach dem Aushärten wird der Formkörper 2 durch die Öffnung 11' im Anschlussflansch 11 aus dem Inneren des Behälterkorpus' 10 entfernt, beispielsweise wird der Formkörper 2 aus dem Behälterkorpus 10 herausgeschm olzen.
Der auf diese Weise gefertigte hohle Behälterkorpus 10 wird anschließend dem in Verbindung mit 2 gezeigten Beschichtungsvorgang unterworfen, bei welchem auf die Innenseite 10' des Behälterkorpus' 10, also auf die zum Innenraum 10" des Behälters 1 weisende innere Oberfläche 14' der dann eine Zwischenschicht bildenden inneren Wandungsschicht 14 eine Oberflächenbeschichtung 16 mittels eines thermischen Spritzverfahrens, im gezeigten Beispiel mittels Kaltgasspritzens, aufgetragen wird.
In 2 ist der in 1 gezeigte Behälterkorpus 10 mit dem Anschlussflansch 11 nach oben aufgerichtet dargestellt, wobei der Behälter 1 mittels Stützen S auf einem Untergrund stabil stehend abgestützt ist. Der Behälter 1 ist in einem Vertikalschnitt dargestellt, um den Vorgang des Beschichtens der Innenseite 10' des Behälterkorpus' 10 zeigen zu können.
In 2 ist zu erkennen, wie der Anschlussflansch 11, der beispielsweise aus Metall besteht, in die Wandung 12 des Behälterkorpus' 10 einlaminiert und fest mit der Wandung 12 verbunden ist. Beispielsweise ist der Anschlussflansch 11 mit seinem Kragen zwischen der inneren Wandungsschicht 14 und der äußeren Wandungsschicht 13 durch Laminieren verankert. Alternativ kann der Kragen des Anschlussflansches 11 aber auch auf seiner Außenseite mit der inneren Wandungsschicht 14 und der äußeren Wandungsschicht 13 belegt sein.
Durch die Öffnung 11' des Anschlussflansches 11 ist von oben eine Spritzvorrichtung 3 für ein thermisches Spritzverfahren in den Innenraum 10" des Behälterkorpus' 10 eingeführt. Die Spritzvorrichtung 3 umfasst eine Führungsstange 30, die durch einen (nicht gezeigten) Steuerungs- und Führungsmechanismus in Vertikalrichtung bewegbar ist, wie durch den Doppelpfeil V in 2 verdeutlicht ist, und die mittels des Betätigungs- und Steuermechanismus' um ihre Achse X in beide Richtungen drehbar ist, wie es durch den Rotationsdoppelpfeil R in 2 symbolisiert ist.
Am unteren, in den Behälterkorpus 10 hineinragenden Ende der Führungsstange 30 ist mittels eines Schwenkgelenks 32, welches um eine rechtwinklig auf der Achse X der Führungsstange 30 stehende Querachse Y schwenkbar ist, eine Spritzeinheit 34 für das thermische Spritzverfahren schwenkbar angebracht. Eine ebenfalls durch die Öffnung 11' des Anschlussflansches 11 in den Innenraum 10" des Behälterkorpus' 10 geführte Versorgungsschlaucheinheit 35 ist mit der Spritzeinheit 34 funktional gekoppelt und verbindet die Spritzeinheit 34 mit (nicht gezeigten) Versorgungsquellen für ein Arbeitsgas und mit einem Vorrat von pulverförmigen Partikeln, im vorliegenden Fall pulverförmigen Metallpartikeln, die von der Spritzvorrichtung 3 auf die zum Innenraum 10" weisende Oberfläche 14' auf der Innenseite 10' des Behälterkorpus' 10 gespritzt werden. Die Versorgungsschlaucheinheit 35 weist dazu einen Arbeitsgasschlauch 35' sowie einen Partikeltransportschlauch 35" auf. Die Spritzeinheit 34 weist zumindest eine Spritzdüse 36 auf, durch die Metallmaterial mittels eines Spritzstrahls 38 auf die Innenseite 10' des Behälterkorpus, nämlich auf die innere Oberfläche 14' der die Zwischenschicht bildenden inneren Wandungsschicht 14 in einer Beschichtungsschicht 18 oder in mehreren Beschichtungsschichten aufgetragen werden kann, wodurch die Oberflächenbeschichtung 16 gebildet wird.
Im gezeigten Beispiel der vorliegenden Erfindung ist die Spritzeinheit 34 eine an sich bekannte Einheit zum Kaltgasspritzen. Beim Kaltgasspritzverfahren zur Beschichtung von Oberflächen wird ein der Spritzeinheit 34 zugeführtes Arbeitsgas zunächst komprimiert und erwärmt und anschließend durch Entspannen in der Spritzdüse 36 beschleunigt, wobei in den Gasstrahl eingeleitete Partikel, im vorliegenden Fall Metallpartikel, auf ein, vorzugsweise vorher aufgeheiztes, Substrat - im vorliegenden Fall auf die Oberfläche 14' der Zwischenschicht 14 - geschossen werden. Dort dringen die Partikel teilweise in die zu beschichtende Oberfläche 14' ein und verankern so die aufgebrachte Beschichtungsschicht 18 der Oberflächenbeschichtung 16 in der inneren Wandungsschicht 14, die zwischen der äußeren Wandungsschicht 13 und der Oberflächenbeschichtung 16 eine Zwischenschicht bildet. Der Schichtenaufbau der Wandung 12 ist in der vergrößerten Darstellung der Einzelheit A in 2 gut zu erkennen.
Die Einzelheit B in 2 zeigt in vergrößerter Darstellung eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Zwischenschicht 14 in Richtung des Pfeils B. Die Oberfläche 14' der Zwischenschicht 14 wird vorwiegend durch die Kunststoffmatrix gebildet, die die Fasern 15 des hier als Gewebe dargestellten Faserverbunds der Zwischenschicht 14 bedeckt. Die einzelnen Fasern 15 weisen einen Faserkern 15', beispielsweise aus Kohlefaser- oder Glasfasermaterial, auf, der an seiner Oberfläche mit einem Metall beschichtet, beispielsweise bedampft, ist, sodass die einzelnen Fasern des Gewebes (oder Gewirkes) der Zwischenschicht 14 mit einer metallischen Oberflächenschicht 15" versehen sind. Die metallische Oberflächenschicht besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Nickel oder aus einer Metall-Legierung, die bevorzugterweise wärmeausdehnungsinvariant ist. Eine solche wärmeausdehnungsinvariante Eisen-Nickel-Legierung ist beispielsweise unter der geschützten Markenbezeichnung Invar^® bekannt.
Wie in 2 zu erkennen ist, ist im dargestellten Beispiel knapp die obere Hälfte des Behälterkorpus' 10 einschließlich der zum Innenraum 10" weisenden inneren Oberfläche 11" des Anschlussflansches 11 (oder dem darauf liegenden Teil der Zwischenschicht 14) bereits von der Spritzvorrichtung 3 mit der Oberflächenbeschichtung 16 aus den zugeführten Metallpartikeln beschichtet worden. Die Oberflächenbeschichtung 16 deckt somit auch den so genannten Schäftungsbereich des Anschlussflansches 11 mit ab. Die mittels des Kaltgasspritzens aufgebrachten Metallpartikel bilden eine geschlossene, homogene Oberflächenbeschichtung 16 aus, die im fertigen Zustand - wenn auch der untere Teil des Behälterkorpus' 10 noch mit der Oberflächenbeschichtung 16 versehen sein wird - den Innenraum 10" des Behälterkorpus' 10 (bis auf die Öffnung 11' im Anschlussflansch 11) umgibt.
Durch die Drehbarkeit der Spritzvorrichtung 3 um die vertikale Achse X entsprechend dem Rotationsdoppelpfeil R, die vertikale Verschiebbarkeit der Spritzvorrichtung 3 entsprechend dem Doppelpfeil V und die Schwenkbarkeit der Spritzeinheit 34 um die Querachse Y lässt sich die Düse 36 auf jeden Ort der Innenseite 10' des Behälterkorpus' richten, so dass die Innenseite 10' des Behälterkorpus' 10 lückenlos mittels des thermischen Spritzverfahrens, also hier des Kaltgasspritzens, beschichtbar ist und so eine geschlossene und gasdichte Oberflächenbeschichtung 16 ausbildet.
Die Oberflächenbeschichtung 16 kann aus einer einmalig aufgebrachten Schicht oder aus mehreren nacheinander aufgebrachten Schichten aus dem gleichen Metallmaterial oder aus unterschiedlichen Metallmaterialien bestehen.
Ist der Behälter mit zumindest einem inneren Trennboden versehen, der das Behälterinnere in zwei (oder mehr) separate Räume unterteilt (zum Beispiel zur Aufnahme unterschiedlicher Treibstoffkomponenten) so wird auch dieser, zum Beispiel aus einem Glasfaser-Verbundmaterial oder Kohlefaser-Verbundmaterial bestehende, Trennboden („common bulkhead“) auf zumindest einer seiner Oberflächen (vorzugsweise auf beiden Oberflächen) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer metallischen Oberflächenbeschichtung versehen. Dadurch werden beziehungsweise sind beide Räume im Inneren des Behälters auf allen Oberflächen ihrer jeweiligen Innenseite vollständig mit der metallischen Oberflächenbeschichtung versehen.
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
Bezugszeichenliste
Es bezeichnen:

1: Behälter
2: Formkörper
2': Oberfläche des Formkörpers
3: Spritzvorrichtung
10: Behälterkorpus
10': Innenseite des Behälterkorpus
10": Innenraum
11: Anschlussflansch
11': Öffnung
11": innere Oberfläche
12: Wandung
13: Wandungsschicht
13': Innenseite
14: Zwischenschicht
14': Oberfläche
15: Faser der Zwischenschicht
15': Faserkern (z.B. Kohlefaser, Glasfaser)
15": metallische Oberflächenschicht der Faser
16: Oberflächenbeschichtung
18: Beschichtungsschicht
30: Stange
32: Schwenkgelenk
34: Spritzeinheit
35: Versorgungsschlaucheinheit
35': Arbeitsgasschlauch
35": Partikeltransportschlauch
36: Spritzdüse
38: Spritzstrahl
110: Behälterkorpus
R: Rotationsdoppelpfeil
S: Stützen
V: Doppelpfeil
X: vertikale Achse
Y: Querachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19747384 A1 [0005]
DE 19747386 A1 [0006]
CH 538549 A [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Behälters (1) mit einem Behälterkorpus (10), der eine Wandung (12) aufweist, wobei der Behälterkorpus (10) mit zumindest einer Öffnung (11') versehen ist, mit den Schritten: a) Herstellen des Behälterkorpus' (10) mit einer Wandung (12), die eine äußere Wandungsschicht (13) aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff sowie eine von einem Faserverbundwerkstoff gebildete innere Zwischenschicht (14) auf der zur Innenseite (10') des Behälterkorpus' (10) weisenden Innenseite (13') der äußeren Wandungsschicht (13) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der inneren Zwischenschicht (14) mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet ist; b) Beschichten der Wandung (12) des Behälterkorpus' (10) auf der zur Innenseite (10') des Behälterkorpus' (10) weisenden Oberfläche (14') der inneren Zwischenschicht (14) mit zumindest einer metallischen Oberflächenschicht (16) mittels einer durch die Öffnung (11') eingeführten Spritzvorrichtung (3) durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälterkorpus (10) einteilig ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälterkorpus (110) mehrteilig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (12) des Behälterkorpus' (10) im Schritt a) aus einem Faserverbundwerkstoff in Prepreg-Bauweise oder in Nasswickelbauweise gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (12) des Behälterkorpus' (10) aus einem duktilen Matrixkunststoff gebildet wird oder diesen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (12) des Behälterkorpus' (10) als Laminat gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminat von einem Kurzfaserlaminat gebildet ist oder ein solches aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laminat von einem Sheet Molding Compound gebildet ist oder ein solches aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundgewebes der inneren Zwischenschicht (14) mit Kupfer, mit Nickel oder mit einer wärmeausdehnungsinvarianten Legierung von Metallen beschichtet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Zwischenschicht (14) ein Faserverbundgewebe aufweist oder aus einem solchen gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (12) des Behälterkorpus' (10) im Schritt a) aus einem Faserverbundwerkstoff in folgenden Teilschritten gebildet wird: a1) Aufbringen der inneren Zwischenschicht (14) auf zumindest einen Formkörper (2); a2) Aufbringen der äußeren Wandungsschicht (13) aus dem Faserverbundwerkstoff auf die innere Zwischenschicht (14); a3) Aushärten der Wandung (12).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Faserverbundwerkstoff ein Kohlefaserverbundwerkstoff oder ein Glasfaserverbundwerkstoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Oberflächenbeschichtung (16) zumindest eines der Metalle Aluminium, Titan, Edelstahl, Kupfer oder Nickel und/oder zumindest eine Legierung von Metallen, wie beispielsweise Eisen-Nickel-Legierungen, mit dem thermischen Spritzverfahren aufgebracht wird.
Behälter, insbesondere Drucktank, mit einem Behälterkorpus (10), der eine Wandung (12) mit einer äußeren Wandungsschicht (13) aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff sowie einer von einem Faserverbundwerkstoff gebildeten inneren Zwischenschicht (14) auf der zur Innenseite (10') des Behälterkorpus' (10) weisenden Innenseite (13') der äußeren Wandungsschicht (13) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der inneren Zwischenschicht (14) mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet ist, wobei die zur Innenseite (10') des Behälterkorpus' (10) weisenden Oberfläche (14') der inneren Zwischenschicht (14) mit zumindest einer durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen, aufgebrachten metallischen Oberflächenschicht (16) versehen ist.
Behälter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff der inneren Zwischenschicht (14) ein Fasergewebe oder ein Fasergewirke mit den metallbeschichteten Fasern (15) aufweist.