DE102020129355A1

DE102020129355A1 - Verfahren zur Beschichtung einer Wandung

Info

Publication number: DE102020129355A1
Application number: DE102020129355.0A
Authority: DE
Inventors: Sascha Larch
Original assignee: Additive Space GmbH
Current assignee: Additive Space GmbH
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2021-05-12
Also published as: US20230332742A1; EP4232615A1; DE102020127874A1; DE202020106328U1; WO2022084411A1

Abstract

Ein Verfahren zur Beschichtung einer eine äußere Wandungsschicht (13) aufweisenden Wandung (12) mit zumindest einer metallischen Oberflächenschicht (16), weist die folgenden Schritte auf:
a) Bereitstellen eines von der äußeren Wandungsschicht (13) gebildeten Wandungsgrundkörpers (12')
b) Verbinden der äußeren Wandungsschicht (13) mit einer aus einem Faserverbundwerkstoff gebildeten oder einen Faserverbundwerkstoff aufweisenden Zwischenschicht (14) zur Bildung der zu beschichtenden Wandung (12), wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) eine metallische Oberfläche aufweist;
c) Beschichten der Wandung (12) auf der von der äußeren Wandungsschicht (13) abgewandten Oberfläche (14') der Zwischenschicht (14) mit der zumindest einen metallischen Oberflächenschicht (16) mittels einer Spritzvorrichtung (3) durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Wandung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine vorzugsweise nach diesem Verfahren hergestellte Wandung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist häufig erforderlich, einen Wandungskörper mit einer Metalloberfläche zu beschichten. Besonders geeignet dafür ist das thermische Spritzen, bei dem Metall auf eine Oberfläche gespritzt wird und mit dem Material dieser Oberfläche eine mechanische Verbindung eingeht. Neben Verfahren zum thermischen Spritzen, bei denen das Metall in einem geschmolzenen - also heißen - Zustand auf die zu beschichtende Oberfläche auftrifft, hat sich in jüngster Zeit das Kaltgasspritzen etabliert, bei welchem feste Metallpartikel mit hoher kinetischer Energie auf die zu beschichtende Oberfläche aufgespritzt werden, dabei durch die Aufprallenergie aufschmelzen und sich mit dem Material der zu beschichtenden Oberfläche verbinden.
Nicht jedes Oberflächenmaterial ist aber für derartige Verfahren des thermischen Spritzens geeignet, da zum Beispiel leicht schmelzbare oder mechanisch empfindliche Oberflächenmaterialien dadurch beeinträchtigt oder beschädigt werden können. Dies ist insbesondere dann unerwünscht, wenn die beeinträchtigte Eigenschaft des Oberflächenmaterials eine für den vorgesehenen Anwendungszweck des Wandungskörpers essentielle Eigenschaft ist, wie zum Beispiel dessen Festigkeit.
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.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren so auszubilden, dass beim Beschichten der Wandung mittels des thermischen Spritzens die zu beschichtende Oberfläche und die zu dieser Oberfläche gehörende Schicht nicht beeinträchtigt wird und auch beim Auftragen nur einer sehr dünnen Beschichtungsschicht diese wirksam und zuverlässig an der zu beschichtenden Oberfläche haftet, sowie eine entsprechend beschichtete Wandung anzugeben.
Der auf das Verfahren gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein Verfahren zur Beschichtung einer eine äußere Wandungsschicht aufweisenden Wandung mit zumindest einer metallischen Oberflächenschicht, weist erfindungsgemäß die folgenden Schritte auf:

a) Bereitstellen eines von der äußeren Wandungsschicht gebildeten Wandungsgrundkörpers;
b) Verbinden der äußeren Wandungsschicht mit einer aus einem Faserverbundwerkstoff gebildeten oder einen Faserverbundwerkstoff aufweisenden Zwischenschicht zur Bildung der zu beschichtenden Wandung, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht eine metallische Oberfläche aufweist, und
c) Beschichten der Wandung auf der von der äußeren Wandungsschicht abgewandten Oberfläche der Zwischenschicht mit der zumindest einen metallischen Oberflächenschicht mittels einer Spritzvorrichtung durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen.

VORTEILE
Durch das Spritzen der Oberflächenbeschichtung auf die Zwischenschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wie beispielsweise mittels thermischen Spritzens, insbesondere mittels Kaltgasspritzens, kann diese Oberflächenbeschichtung äußerst dünn und dennoch intensiv haftend auf die Wandung aufgebracht werden und so einen hauchdünnen metallischen Liner bilden. Dies führt nicht nur zu einer deutlichen Masseersparnis gegenüber einer klassischen Metallbeplankung einer solchen Wandung mit einem Metall-Liner 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, insbesondere wenn diese aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, und reduziert das Risiko des Ablösens der Oberflächenbeschichtung von der Wandung deutlich, da die Metallpartikel in die Oberfläche der Zwischenschicht eindringen und eine mechanische Formschlussverbindung ausbilden.
Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Beplanken mit einem aus Metallblech gefertigten Liner besteht darin, dass im Falle von bei einer Qualitätskontrolle festgestellten Fehlern (zum Beispiel Unterschichtdicke 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 der metallischen Oberflächenschicht erforderlich sind.
Die Ausgestaltung der Zwischenschicht aus oder mit einem Faserverbundwerkstoff mit in Kunstharz laminierten Fasern, von denen zumindest einige der einzelnen Fasern eine metallische Oberflächenschicht aufweisen, 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 c) aufgespritzten Metallpartikel reduziert wird. Die Festigkeit des Wandkörpers wird somit nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt.
Die Oberflächenbeschichtung mit metallischem Material mittels des thermischen Spritzens im Schritt c) 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 Fasern mit nichtmetallischer Oberfläche.
Die Zwischenschicht, die fest mit der äußeren Wandungsschicht verhaftet ist, schützt die äußere Wandungsschicht, insbesondere die für deren Festigkeit verantwortlichen Fasern, 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 9.
Besonders von Vorteil ist es, wenn die Wandung als Laminat gebildet wird.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die äußere Wandungsschicht des im Schritt a) bereitgestellten Wandungskörpers aus einem Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist oder einen solchen aufweist.
Bevorzugter Weise weist die Zwischenschicht ein Faserverbundgewebe oder ein Faserverbundgelege auf oder sie ist aus einem Faserverbundgewebe oder einem Faserverbundgelege gebildet.
Von besonderem Vorteil ist es auch, wenn zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht einen mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichteten nichtmetallischen Faserkern aufweist.
Dabei ist vorzugsweise zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht mit Kupfer, mit Nickel oder mit einer wärmeausdehnungsinvarianten Legierung von Metallen beschichtet.
Von besonderem Vorteil ist es auch, wenn die Zwischenschicht aus einem Faserverbundwerkstoff in Prepreg-Bauweise gebildet wird.
Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit anderen Varianten kombinierbar ist, ist der jeweilige Faserverbundwerkstoff ein Kohlefaserverbundwerkstoff, ein Aramidfaserverbundwerkstoff oder ein Glasfaserverbundwerkstoff. Die Fasern mit der metallischen Oberflächenschicht sind demnach vorzugsweise Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlefasern, die vorzugsweise vor dem Laminieren oder vor der Verarbeitung zu dem betreffenden Faserverbundwerkstoff an ihrer jeweiligen Oberfläche mit einem Metall beschichtet, beispielsweise bedampft, worden ist. Es können aber auch Fasern aus einem anderen Grundmaterial sein, die mit der metallischen Oberflächenschicht versehen sind.
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,.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wandung des Wandungsgrundkörpers im Schritt a) aus einem Faserverbundwerkstoff in Prepreg-Bauweise oder in Nassauftragsbauweise gebildet wird. Diese Fertigungsarten der Wandung sorgen für eine hohe mechanische Stabilität, so dass die dünne metallische Oberflächenbeschichtung nahezu keine mechanischen Lasten und/oder Dehnungen aufnehmen muss.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Wandung 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 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.
Vorzugsweise wird die zu beschichtende Wandung aus einem Faserverbundwerkstoff in folgenden Teilschritten gebildet:

a1) Aufbringen der Zwischenschicht auf zumindest einen Formkörper;
b1) Aufbringen der äußeren Wandungsschicht aus einem Faserverbundwerkstoff auf die innere Zwischenschicht;
b2) Aushärten der Wandung.

Die ersten beiden Schritte können auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, so dass zunächst die äußere Wandungsschicht auf zumindest einen Formkörper aufgebracht wird und anschließend die Zwischenschicht auf den äußeren Wandungskörper aufgebracht wird und dann erst das Aushärten erfolgt.
Dadurch, dass im Schritt b1) die Wandungsschicht auf die im Schritt a1) aufgebrachte und noch nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtete Zwischenschicht aufgebracht wird (oder umgekehrt), verbindet sich das Kunststoffmaterial der Zwischenschicht auf ideale Weise mit dem Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs der äußeren Wandungsschicht und härtet im Schritt b2) gemeinsam zu einer integralen Wandung aus. Nach dem Aushärten wird der Formkörper entfernt und es folgt dann das Beschichten der Wandung gemäß Schritt c). 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 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 beispielsweise 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.
Der auf die Wandung gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10, nämlich durch eine Wandung mit einer äußeren Wandungsschicht sowie einer auf einer Seite der äußeren Wandungsschicht vorgesehenen und mit dieser verbundenen Zwischenschicht, die aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist oder einen Faserverbundwerkstoff aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht eine metallische Oberfläche aufweist, wobei die von der äußeren Wandungsschicht abgewandte Oberfläche der Zwischenschicht mit zumindest einer durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen, aufgebrachten metallischen Oberflächenschicht versehen ist.
Diese Wandung ist dabei bevorzugt nach einem Verfahren der Erfindung hergestellt. Auch wenn nur ein Teil der Fasern, also einige der Fasern, der Zwischenschicht an ihrer jeweiligen Oberfläche metallbeschichtet sein können, sind bevorzugterweise alle Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet.
Vorzugsweise weist der Faserverbundwerkstoff der Zwischenschicht ein Fasergewebe, ein Fasergewirke oder ein Fasergelege aus den metallbeschichteten Fasern auf oder ist oder aus einem Fasergewebe, einem Fasergewirke oder einem Fasergelege gebildet. Dabei können alle Fasern des Fasergewebes, des Fasergewirkes beziehungsweise des Fasergeleges oder nur einige Fasern mit einer metallischen Oberfläche versehen sein, zum Beispiel 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 mit einer metallischen Oberfläche versehen.
Die einzelnen Fasern werden vorzugsweise vor dem Herstellen des Fasergewebes, des Fasergewirkes beziehungsweise des Fasergeleges, insbesondere bereits bei oder nach der Herstellung der Fasern, mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet, beispielsweise bedampft oder mittels CVD (chemical vapour deposition) beschichtet. Die einzelnen metallbeschichteten Fasern weisen vorzugsweise einen nichtmetallischen Faserkern, beispielsweise aus Glasfaser-, Aramidfaser- 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.
Das erfindungsgemäße Aufbringen von zumindest einer - vorzugsweise dünnen - metallischen Schicht auf die Wandung aus Faserverbundwerkstoff (FVW) oder aus einem anderen nichtmetallischen Werkstoffe mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzens, dient der Verbesserung der Grundeigenschaften des Materials der Wandung. 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 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 Wandung und
- der Vermeidung einer Schädigung des Trägermaterials (zum Beispiel des Faserverbundwerkstoffs oder des Kunststoffs der Wandung.

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 Einen teilweise geschnittenen Behälterkorpus mit einer erfindungsgemäßen Wandung beim Schritt der Beschichtung gemäß einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 den geschnitten dargestellten Behälterkorpus aus 1 beim Schritt der Beschichtung der Wandung mittels Kaltgasspritzens.

DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung einer Wandung 12 sowie die erfindungsgemäße Wandung 12 werden nachstehend beispielhaft anhand der Wandung 12 eines Behälters 1, beispielsweise eines Druckbehälters für einen gasförmigen Treibstoff, beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Wandung sind jedoch unabhängig vom Einsatz- und Verwendungszweck der Wandung 12.
In 1 ist ein Behälterkorpus 10 eines 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 14 bezeichneten inneren Wandungsschicht, 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 14 bezeichnete Wandungsschicht bildet somit als Faserverbundschicht eine geschlossene, die Oberfläche 2' des Formkörpers 2 umhüllende Kunststoffschicht.
So lange die Zwischenschicht 14 noch nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtet ist, wird auf die die innere Wandungsschicht bildende Zwischenschicht 14 eine äußere Wandungsschicht 13 aus einem weiteren Faserverbundmaterial mit unidirektional ausgerichteten Fasern aufgebracht, vorzugsweise wird der mit der Zwischenschicht 14 versehene Formkörper 2 mit diesem unidirektionalen Faserverbundmaterial umwickelt. Da die Kunststoffmatrix des Faserverbundmaterials der äußeren Wandungsschicht 13 im Wesentlichen dem Matrixmaterial der Zwischenschicht 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 erfindungsgemäßen 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 die Zwischenschicht 14 bildenden inneren Wandungsschicht 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' der Zwischenschicht 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 Zwischenschicht 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 die innere Wandungsschicht bildenden Zwischenschicht 14. Der Schichtenaufbau der erfindungsgemäßen Wandung 12 mit der auf den von der äußeren Wandungsschicht 13 gebildeten Wandungsgrundkörper 12', der mit dieser verbundenen Zwischenschicht 14 aus dem Gewebe mit Fasern 15 mit einer metallischen Oberflächenschicht 15" (Einzelheit B) und der mittels des Kaltgasspritzens auf die Zwischenschicht 14 aufgebrachten, die Oberflächenbeschichtung 16 bildenden Beschichtungsschicht 18 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-, Aramidfaser- 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 15" 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.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Verfahrens, wenn der Behälterkorpus einteilig ausgebildet ist. Dabei kann zuerst die Wandung des Behälterkorpus', gegebenenfalls bereits mit Anschlussflanschen, gefertigt werden und dann kann die metallische Oberflächenbeschichtung auf die Innenseite der Wandung des Behälters aufgesprüht werden.
Das Verfahren ist aber auch anwendbar, wenn der Behälterkorpus mehrteilig ausgebildet ist. In diesem Fall werden zunächst die einzelnen Behälterteile, also einzelne Wandungen, gefertigt und auf ihrer jeweiligen Innenseite wird die jeweilige Oberflächenbeschichtung aufgesprüht und dann werden die Behälterteile (Wandungen) zu einem Behälter zusammengebaut.
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
12': Wandungsgrundkörper
13: Wandungsschicht
13': Innenseite
14: Zwischenschicht
14': Oberfläche
15: Faser der Zwischenschicht
15': Faserkern (z.B. Kohlefaser, Aramidfaser, 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 [0004]
DE 19747386 A1 [0005]
CH 538549 A [0006]

Claims

Verfahren zur Beschichtung einer eine äußere Wandungsschicht (13) aufweisenden Wandung (12) mit zumindest einer metallischen Oberflächenschicht (16), mit den Schritten: a) Bereitstellen eines von der äußeren Wandungsschicht (13) gebildeten Wandungsgrundkörpers (12'); b) Verbinden der äußeren Wandungsschicht (13) mit einer aus einem Faserverbundwerkstoff gebildeten oder einen Faserverbundwerkstoff aufweisenden Zwischenschicht (14) zur Bildung der zu beschichtenden Wandung (12), wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) eine metallische Oberfläche aufweist, und c) Beschichten der Wandung (12) auf der von der äußeren Wandungsschicht (13) abgewandten Oberfläche (14') der Zwischenschicht (14) mit der zumindest einen metallischen Oberflächenschicht (16) mittels einer Spritzvorrichtung (3) durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (12) als Laminat gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wandungsschicht (13) aus einem Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist oder diesen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (14) ein Faserverbundgewebe oder ein Faserverbundgelege aufweist oder aus einem Faserverbundgewebe oder einem Faserverbundgelege gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) einen mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichteten nichtmetallischen Faserkern (15') aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) mit Kupfer, mit Nickel oder mit einer wärmeausdehnungsinvarianten Legierung von Metallen beschichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (14) aus einem Faserverbundwerkstoff in Prepreg-Bauweise gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Faserverbundwerkstoff ein Kohlefaserverbundwerkstoff, ein Aramidfaserverbundwerkstoff 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 eine Eisen-Nickel-Legierung, mit dem thermischen Spritzverfahren aufgebracht wird.
Wandung (12) mit einer äußeren Wandungsschicht (13) sowie einer auf einer Seite der äußeren Wandungsschicht (13) vorgesehenen und mit dieser verbundenen Zwischenschicht (14), die aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist oder einen Faserverbundwerkstoff aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) eine metallische Oberfläche aufweist, wobei die von der äußeren Wandungsschicht (13) abgewandte Oberfläche (14') der Zwischenschicht (14) mit zumindest einer durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen, aufgebrachten metallischen Oberflächenschicht (16) versehen ist.
Wandung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff der Zwischenschicht (14) ein Fasergewebe, ein Fasergewirke oder ein Fasergelege aufweist oder aus einem Fasergewebe, einem Fasergewirke oder einem Fasergelege gebildet ist.
Wandung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) einen mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichteten nichtmetallischen Faserkern (12') aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) mit Kupfer, mit Nickel oder mit einer wärmeausdehnungsinvarianten Legierung von Metallen beschichtet ist.
Wandung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff ein Kohlefaserverbundwerkstoff, ein Aramidfaserverbundwerkstoff oder ein Glasfaserverbundwerkstoff ist.
Wandung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Oberflächenschicht (16) zumindest eines der Metalle Aluminium, Titan, Edelstahl, Kupfer oder Nickel und/oder zumindest eine Legierung von Metallen, wie beispielsweise eine Eisen-Nickel-Legierung, mit dem thermischen Spritzverfahren aufweist.