DE102021101643A1

DE102021101643A1 - Verfahren zur herstellung eines faserverstärkten harzformkörpers und herstellungsvorrichtung hierfür

Info

Publication number: DE102021101643A1
Application number: DE102021101643.6A
Authority: DE
Inventors: Ken Hatta
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2021-09-30
Also published as: JP7287322B2; US20210299982A1; JP2021154503A; CN113442470A; CN113442470B; US11440275B2

Abstract

Es werden ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers, das geeignet ist, die Festigkeit eines faserverstärkten Harzformkörpers, wie z.B. eines Hochdrucktanks, effektiv zu erhöhen, und eine Herstellungsvorrichtung hierfür bereitgestellt. Durch die Verwendung eines Schneidkerns 17, der auf eine höhere Temperatur als eine Form 10 erhitzt wird, wird das Aushärten eines Teils des Harzes (wärmehärtendes Harz) 3, das in einem Angusskanal 16b geschnitten werden soll, erleichtert, und der Teil des Harzes 3, das in dem Angusskanal 16b geschnitten werden soll, wird durch den Schneidkern 17 geschnitten. Die Heiztemperatur des Schneidkerns 17 ist höher als die Temperatur der Form 10 und niedriger als die Heiztemperatur in einem Nachhärtungsschritt, der nach dem Entfernen des Hochdrucktanks 4 aus der Form 10 durchgeführt wird.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Harzformkörpern, wie z.B. einem Hochdrucktank, der mit Fasern verstärkt ist, und auf Herstellungsvorrichtungen hierfür.
Technischer Hintergrund
Brennstoffzellenfahrzeuge umfassen einen Hochdrucktank (nachfolgend einfach als Tank bezeichnet), in dem Brenngas wie Erdgas oder Wasserstoffgas gespeichert ist. Ein solcher Hochdrucktank wird als faserverstärkter Harzformkörper hergestellt, der eine hohle Auskleidung mit Gasbarriereeigenschaft als Kernelement und kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff oder glasfaserverstärkten Kunststoff (nachfolgend zusammenfassend als faserverstärkte Harzschicht bezeichnet) umfasst, der die Auskleidung umhüllt. Für ein leichtes Gewicht wird typischerweise ein hohler Behälter aus Harz als Auskleidung verwendet.
Hochdrucktanks werden üblicherweise durch das Filament-Wickel-Verfahren (FW-Verfahren) und das Resin-Transfer-Molding-Verfahren (RTM-Verfahren) hergestellt. Die Patentliteratur 1 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks nach dem RTM-Verfahren. Bei diesem Herstellungsverfahren wird ein Vorformling in einer Form platziert, wobei der Vorformling eine Auskleidung, die den Innenraum des Hochdrucktanks definiert, und eine auf der Außenfläche der Auskleidung gebildete Faserschicht aufweist, und der Vorformling wird in der Form in Umfangsrichtung um die Mittelachse des Vorformlings gedreht, während Harz aus einem Angussöffnung in Richtung des in der Form platzierten Vorformlings injiziert wird.
Zitierliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2019-056415 A
Patentliteratur 2: JP 2019-081310 A

KURZFASSUNG
Bei einem solchen Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks muss der Anspritzpunkt abgeschnitten werden, nachdem das in den Hochdrucktank (oder dessen Faserschicht) imprägnierte Harz in der Form ausgehärtet ist, um das überflüssige Harz loszuwerden (siehe z.B. Patentliteratur 2). Beim aktuellen Verfahren wird zunächst der geformte Hochdrucktank aus der Form entnommen und dann der Anspritzpunkt mit einem Laser oder einem Wasserstrahl abgeschnitten. Bei einem solchen Verfahren können jedoch Fremdkörper, wie z.B. ein durch den Laser erzeugtes verbranntes Harz oder ein durch den Wasserstrahl erzeugter Wasseranteil, in den Hochdrucktank gelangen, was zu einer Verschlechterung der Festigkeit des Hochdrucktanks führt. Außerdem können die Nachbearbeitung durch den Laser oder den Wasserstrahl einen Investitions- und Zeitaufwand erfordern, was zu einer Erhöhung der Kosten führt. Gleichzeitig können Variationen in der Bearbeitungszeit in Abhängigkeit vom Hochdrucktank zu Variationen im ausgehärteten Zustand des Hochdrucktanks führen, was zu Variationen in der Leistung des Tanks führt.
In Anbetracht der vorstehend bezeichneten Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers, das geeignet ist, die Festigkeit eines faserverstärkten Harzformkörpers, wie z.B. eines Hochdrucktanks, effektiv zu erhöhen, und eine Herstellungsvorrichtung hierfür bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers offenbart, um einen Vorformling auszubilden, der eine Faserschicht auf einer Außenfläche einer Auskleidung enthält, die Faserschicht des Vorformlings mit Harz zu imprägnieren und das Harz auszuhärten, und das Verfahren umfasst: einen Schritt zum Vorbereiten einer Form mit einem Angusskanal zum Gießen von Harz in einen Hohlraum, wobei das Harz ein wärmehärtendes Harz umfasst, und ein Schneidkern darin angeordnet ist, wobei der Schneidkern relativ zu dem Angusskanal beweglich ist, um das Harz in dem Angusskanal zu schneiden; einen Schritt zum Platzieren des Vorformlings in dem Hohlraum; einen Schritt zum Gießen von Harz in den Hohlraum durch den Angusskanal; einen Schritt zum Stoppen des Gießens des Harzes in den Hohlraum, um das Harz auszuhärten, und zum Erwärmen des Schneidkerns auf eine höhere Temperatur als die der Form; einen Schritt zum Schneiden des Harzes in dem Angusskanal durch Bewegen des Schneidkerns relativ zu dem Angusskanal, wenn eine Viskosität eines Teils des Harzes in dem Angusskanal an einer Position des Schneidkerns innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt; und einen Schritt zum Entformen des Vorformlings, während die Form geöffnet wird, nachdem das Aushärten des in den Vorformling imprägnierten Harzes endet.
In einigen Ausführungsformen wird zu einem Zeitpunkt, der vorab aus einer Beziehung zwischen einer Aushärtungszeit und einer Viskosität des Harzes festgelegt wird, bestimmt, dass die Viskosität des Teils des Harzes im Angusskanal an der Position des Schneidkerns innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
In einigen Ausführungsformen wird in dem Schritt zum Schneiden des Harzes in dem Angusskanal ein Teil des Harzes in dem Angusskanal durch den Schneidkern geschnitten; und in dem Schritt zum Entformen des Vorformlings beim Öffnen der Form wird eine Scherung zwischen einem Teil des Harzes im Angusskanal nahe dem Hohlraum in Bezug auf den Schneidkern und einem Teil des Harzes im Angusskanal gegenüber dem Hohlraum in Bezug auf den Schneidkern erzeugt, und ein verbleibender Teil des Harzes im Angusskanal wird geschnitten.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren, nach dem Schritt zum Entformen des Vorformlings, einen Nachhärtungsschritt, bei dem der Vorformling auf eine höhere Temperatur als eine Temperatur der Form erhitzt wird.
In einigen Ausführungsformen ist eine Heiztemperatur des Schneidkerns höher als die Temperatur der Form und niedriger als eine Heiztemperatur im Nachhärtungsschritt.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Form eine erste Form und eine zweite Form; und in dem Schritt zum Platzieren des Vorformlings in dem Hohlraum wird der Vorformling zwischen der ersten Form und der zweiten Form angeordnet, um einen ersten Spalt zwischen der ersten Form und dem Vorformling und einen zweiten Spalt zwischen der zweiten Form und dem Vorformling zu definieren, wobei der zweite Spalt größer als der erste Spalt ist, wobei das Verfahren ferner umfasst, in dem Schritt zum Gießen von Harz in den Hohlraum durch den Angusskanal, einen Schritt zum Annähern der zweiten Form an den Vorformling, um den Hohlraum unter Druck mit dem Harz zu füllen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformteils offenbart, zum Ausbilden eines Vorformlings mit einer Faserschicht auf einer Außenfläche einer Auskleidung, zum Imprägnieren der Faserschicht des Vorformlings mit Harz, und zum Aushärten des Harzes, und die Vorrichtung umfasst: eine Form mit einem Angusskanal zum Gießen von Harz in einen Hohlraum, wobei das Harz ein wärmehärtendes Harz umfasst, und ein Schneidkern darin angeordnet ist, wobei der Schneidkern relativ zu dem Angusskanal beweglich ist, um das Harz in dem Angusskanal zu schneiden; einen Heizmechanismus, der konfiguriert ist, um den Schneidkern zu erwärmen; einen Schneidkernantriebsmechanismus, der konfiguriert ist, um den Schneidkern anzutreiben; einen Formantriebsmechanismus, der konfiguriert ist, um die Form in einer Richtung zum Öffnen und Schließen der Form anzutreiben; einen Harzgießmechanismus, der konfiguriert ist, um das Harz durch den Angusskanal in den Hohlraum zu gießen; und eine Steuervorrichtung, die konfiguriert ist, um Betriebszustände des Heizmechanismus, des Schneidkernantriebsmechanismus, des Formantriebsmechanismus und des Harzgießmechanismus zu steuern, wobei die SteuerVorrichtung konfiguriert ist, um den Formantriebsmechanismus zu steuern, um den Vorformling in dem Hohlraum zu platzieren; den Harzgießmechanismus zu steuern, um Harz durch den Angusskanal in den Hohlraum zu gießen; den Harzgießmechanismus zu steuern, um das Gießen des Harzes in den Hohlraum zu stoppen, um das Harz auszuhärten, und den Heizmechanismus zu steuern, um den Schneidkern auf eine höhere Temperatur als die Form zu erwärmen; den Schneidkernantriebsmechanismus zu steuern, um das Harz in dem Angusskanal zu schneiden, indem der Schneidkern relativ zu dem Angusskanal bewegt wird, wenn eine Viskosität eines Teils des Harzes in dem Angusskanal an einer Position des Schneidkerns innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt; und den Formantriebsmechanismus zu steuern, um den Vorformling zu entformen, während die Form geöffnet wird, nachdem das Aushärten des in den Vorformling imprägnierten Harzes endet.
In einigen Ausführungsformen bestimmt die Steuervorrichtung zu einem Zeitpunkt, der vorab aus einer Beziehung zwischen einer Aushärtungszeit und einer Viskosität des Harzes festgelegt wird, dass die Viskosität des Teils des Harzes im Angusskanal an der Position des Schneidkerns innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Form eine erste Form und eine zweite Form und weist ein Druckelement auf, wobei das Druckelement einen Teil des Angusskanals an einer Position im Angusskanal gegenüber dem Hohlraum in Bezug auf die Position des Schneidkerns bildet und integral mit der zweiten Form beweglich ist und relativ zur ersten Form beweglich ist, und die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um den Schneidkernantriebsmechanismus zu steuern, um den Schneidkern relativ zu dem Angusskanal zu bewegen, um einen Teil des Harzes in dem Angusskanal zu schneiden; und, wenn die Form geöffnet wird, den Formantriebsmechanismus zu steuern, um einen Teil des Harzes in dem Angusskanal gegenüber dem Hohlraum in Bezug auf den Schneidkern sandwichartig zwischen der zweiten Form und dem Druckelement aufzunehmen, um eine Scherung zwischen einem Teil des Harzes in dem Angusskanal nahe dem Hohlraum in Bezug auf den Schneidkern und einem Teil des Harzes in dem Angusskanal gegenüber dem Hohlraum in Bezug auf den Schneidkern zu erzeugen, und um einen verbleibenden Teil des Harzes in dem Angusskanal zu schneiden.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ferner einen Aushärtungsofen, um einen Nachhärtungsschritt durchzuführen, bei dem der Vorformling nach dem Entformen des Vorformlings auf eine höhere Temperatur als die Temperatur der Form erhitzt wird.
In einigen Ausführungsformen ist eine Heiztemperatur des Schneidkerns höher als eine Temperatur der Form und niedriger als eine Heiztemperatur im Nachhärtungsschritt.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Form eine erste Form und eine zweite Form; und die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um den Formantriebsmechanismus zu steuern, um den Vorformling zwischen der ersten Form und der zweiten Form zu platzieren, um einen ersten Spalt zwischen der ersten Form und dem Vorformling und einen zweiten Spalt zwischen der zweiten Form und dem Vorformling zu definieren, wobei der zweite Spalt größer als der erste Spalt ist; den Harzgießmechanismus zu steuern, um Harz durch den Angusskanal in den Hohlraum zu gießen; und den Formantriebsmechanismus zu steuern, um die zweite Form nahe an den Vorformling zu bringen, um den Hohlraum unter Druck mit dem Harz zu füllen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei Verwendung des Schneidkerns, der auf eine höhere Temperatur als die Form erhitzt wird, das Aushärten des zu schneidenden Harzabschnitts erleichtert, und der zu schneidende Harzabschnitt wird durch den Schneidkern geschnitten. Diese Konfiguration kann den Anschnitt bzw. das Schneiden des Anspritzpunkts durchführen, ohne Fremdkörper zu erzeugen, und kann auch das Harz stabil aushärten lassen, wodurch die Festigkeit des faserverstärkten Harzformteils, wie z.B. eines Hochdrucktanks, erhöht wird.
Darüber hinaus kann der Nachhärtungsschritt die Festigkeit des faserverstärkten Harzformteils, z.B. eines Hochdrucktanks, erhöhen, und die Durchführung des Anschnittes in der Form kann die Temperaturänderung im Produkt vor dem Nachhärten unterdrücken, wodurch die Festigkeit und Qualität des faserverstärkten Harzformteils, z.B. eines Hochdrucktanks, effektiv erhöht wird.
Darüber hinaus ist es durch Einstellen der Temperatur des Schneidkerns innerhalb eines vorbestimmten Bereichs möglich, eine ausgezeichnete Schneidfläche in dem zu schneidenden Teil des Harzes zu erhalten, wodurch die Festigkeit des faserverstärkten Harzformkörpers, wie z.B. eines Hochdrucktanks, effektiv erhöht wird.
Figurenliste

1 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktanks (faserverstärkter Harzformkörper) gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine Draufsicht auf eine untere Form der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank (faserverstärkter Harzformkörper), in der eine obere Form entfernt ist, gemäß der Ausführungsform;
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Hochdrucktanks (faserverstärkter Harzformkörper) gemäß der Ausführungsform;
4 ist eine vertikale Querschnittsansicht der Herstellungsvorrichtung eines Hochdrucktanks, die einen Schritt zum Platzieren des Vorformlings und einen Schritt zur Vakuumentgasung gemäß der Ausführungsform zeigt;
5 ist eine vertikale Querschnittsansicht der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, die einen Harzgießschritt gemäß der Ausführungsform zeigt;
6 ist eine vertikale Querschnittsansicht der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, die einen Schritt zum vollständigen Anziehen gemäß der Ausführungsform zeigt;
7 ist eine vertikale Querschnittsansicht der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, die einen Harzgießstopp und den Schritt zur Hochtemperaturerwärmung des Schneidkerns gemäß der Ausführungsform zeigt;
8 ist eine vertikale Querschnittsansicht der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, die einen Schritt zum Anheben des Schneidkerns gemäß der Ausführungsform zeigt;
9 ist eine vertikale Querschnittsansicht der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, die einen Harzaushärtungsschritt gemäß der Ausführungsform zeigt;
10 ist ein schematisches Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Aushärtungszeit und einer Viskosität des Harzes (Epoxidharz) zeigt; und
11 ist eine vergrößerte vertikale Querschnittsansicht eines Hauptteils zur Erläuterung eines Beispiels einer Schneidkonfiguration von Harz in einem Angusskanal.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Im Folgenden wird ein Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge beschrieben, der ein Beispiel für einen faserverstärkten Harzformartikel bzw. Harzformkörper ist. Der faserverstärkte Harzformkörper, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird, ist nicht auf den Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge beschränkt. Die Form, das Material usw. der Auskleidung und der Vorform bzw. des Vorformlings des faserverstärkten Harzformkörpers sind ebenfalls nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt.
Das RTM-Verfahren packt (wickelt) Kohlenstofffasern mehrfach (in mehreren Schichten) um eine Auskleidung, um einen Vorformling mit einer Faserschicht auf der Außenfläche der Auskleidung zu bilden, imprägniert die Faserschicht des Vorformlings mit Epoxidharz und härtet das Epoxidharz aus. Auf diese Weise wird mit dem RTM-Verfahren ein Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge hergestellt, der eine faserverstärkte Harzschicht mit der Kohlenstofffaser und dem Epoxidharz auf dem Außenumfang der Auskleidung aufweist. Die Auskleidung ist ein hohler Behälter aus Harz (z.B. Nylonharz), der den Innenraum des Hochdrucktanks definiert.
In einem solchen Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge ist die Kohlenstofffaser dick laminiert, so dass das Harz kaum in die innere Schicht der Kohlenstofffaser und den Harzflussendabschnitt (d. h. den Abschnitt, in den das Harz zuletzt auf den Vorformling fließt, also den Abschnitt, in den das Harz zum spätesten Zeitpunkt auf den Vorformling gelangt) dringt. Das heißt, der Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge hat die Kohlenstofffaser, die sehr dick laminiert ist (etwa 10-mal so dick wie ein typisches RTM-geformtes Bauteil), um genügend Festigkeit zu erhalten, und es ist schwierig, die Faser mit Harz zu imprägnieren. Außerdem kann die Erhöhung der Formtemperatur bis zur Starttemperatur für die Aushärtung des Harzes, um die Aushärtungszeit des Harzes zu verkürzen, die Viskosität erheblich erhöhen, was es schwierig macht, den Harzflussendabschnitt des Hochdrucktanks mit einer großen zylindrischen Form mit Harz zu imprägnieren. Gleichzeitig kann das Absenken der Formtemperatur, um die Harzimprägnierung mit einer reduzierten Viskosität zu erhöhen, die Aushärtungszeit des Harzes verlängern und die intermolekularen Bindungen im Epoxidharz reduzieren. Dies kann zu einer Verschlechterung der Leistung des Tanks führen.
In Anbetracht der obigen Ausführungen ist es, wenn eine niedrige Formtemperatur, die eine Entformung (ein Entnehmen aus der Form) in der RTM-Form ermöglicht, für das RTM-Formen eingestellt wird, erforderlich, ein Nachhärten bei einer hohen Temperatur durchzuführen, um die physikalischen Eigenschaften zu gewährleisten. Wenn sich jedoch die Zeit und die Tanktemperatur zwischen dem RTM-Formen und dem Nachhärten ändern, können sich die Tankqualität und die Tankleistung verschlechtern. Wenn z.B. andere Teile als das Tankprodukt, wie ein Angusskanal, eine Angussöffnung usw., nach dem RTM-Formen bearbeitet werden, kann die Nachbearbeitung Investitionen und Zeit erfordern, was zu einem Anstieg der Kosten führt. Gleichzeitig kann, wenn die Verarbeitungszeit je nach Tank variiert und die Tanktemperatur sinkt oder sich ändert, der Aushärtungszustand des Tanks variieren und es kann zu Schwankungen in der Tankleistung kommen, was zu kritischen Qualitätsproblemen führt.
Um dies zu vermeiden, hat die vorliegende Ausführungsform die folgende Konfiguration.
[Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank]
1 und 2 zeigen eine Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, der ein Beispiel für einen faserverstärkten Harzformkörper gemäß einer Ausführungsform ist. 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht und 2 ist eine Draufsicht auf eine untere Form, bei der eine obere Form entfernt ist.
Ein Vorformling 2 als Zwischenkörper des in der vorliegenden Ausführungsform herzustellenden Hochdrucktanks umfasst eine Auskleidung und eine Faserschicht, die auf der Außenfläche der Auskleidung ausgebildet ist, um mit der Auskleidung integriert zu werden. Die Auskleidung ist ein hohler Harzbehälter, der eine Gasbarriereeigenschaft aufweist und einen Innenraum des Hochdrucktanks definiert. In einem Beispiel hat die Faserschicht eine Dicke von etwa 10 mm bis 30 mm. Die Faserschicht wird durch mehrfaches Wickeln von Fasern um die äußere Fläche der Auskleidung durch das Filament-Wickel-Verfahren gebildet.
Beispiele für die um die Auskleidung gewickelten Fasern sind Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramidfasern. Die Fasern können Endlosfasern, lange Fasern oder kurze Fasern umfassen. Wie später beschrieben, wird die um die Auskleidung gewickelte Faser(schicht) mit Harz imprägniert und ausgehärtet, um eine faserverstärkte Harzschicht zu bilden, die den Umfang der Auskleidung bedeckt. Beispiele für das Harz sind wärmehärtende Harze wie Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze und Polyamidharze.
Die Herstellungsvorrichtung 1 ist so konfiguriert, dass sie einen Hochdrucktank nach dem RTM-Verfahren herstellt, um die Faserschicht, aus der der Vorformling 2 besteht, mit Harz (wärmehärtendes Harz) 3 zu imprägnieren (das Bezugszeichen ist z.B. in 5 dargestellt) und das imprägnierte Harz 3 auszuhärten.
In einem Beispiel umfasst die Herstellungsvorrichtung 1 eine Form 10, die aus einer Mehrzahl von Formen besteht, wie einer unteren Form 11 als feste Form und einer oberen Form 12 als bewegliche Form. Das Schließen dieser unteren Form 11 und oberen Form 12 (dies kann als Formverschluss bezeichnet werden) definiert einen Hohlraum bzw. eine Kavität 9 für die faserverstärkte Harzschicht. Um den Vorformling 2 mit der Faserschicht in der Form 10 zu platzieren bzw. anzuordnen, wird der Hohlraum 9 der Form 10 z.B. um die Toleranz des Vorformlings 2 vergrößert.
Diese Ausführungsform umfasst die untere Form 11 als feste Form und die obere Form 12 als bewegliche Form (eine Form, die relativ zur festen Form beweglich ist). In einer anderen Ausführungsform kann die obere Form 12 eine feste Form sein und die untere Form 11 kann eine bewegliche Form sein, oder sowohl die untere Form 11 als auch die obere Form 12 können beweglich sein. Die Form 10 in dieser Ausführungsform umfasst die beiden Teile der unteren Form 11 und der oberen Form 12, die auch drei oder mehr Teile sein können.
In der Form 10 wird der Vorformling 2 von einer Welle 25 getragen, die entlang der Achse der Auskleidung angeordnet ist. Das heißt, die Welle 25 stellt einen Stützmechanismus dar, der den Vorformling 2 in der Form 10 (in der Kavität bzw. dem Hohlraum 9) stützt.
Ein Vakuumentgasungsrohr 15 ist in die Form 10 (im dargestellten Beispiel in der unteren Form 11) eingebettet. Das Vakuumentgasungsrohr 15 ist mit einer Vakuumpumpe 50 verbunden. Die Vakuumpumpe 50 dient zum Entgasen (Evakuieren) der Form 10 (des Hohlraums 9) über das Vakuumentgasungsrohr 15. Das heißt, die Vakuumpumpe 50 und das Vakuumentgasungsrohr 15 bilden einen Vakuumentgasungsmechanismus zur Vakuumentgasung der Form 10 (des Hohlraums 9).
In der Form 10 ist ein Harzgießrohr (dies kann auch als Harzgießangussöffnung bezeichnet werden) 16 eingebettet. Das Harzgießrohr 16 ist mit einem Harzinjektor 60 verbunden. Der Harzinjektor 60 gießt (liefert) Harz 3 (über drei Angussöffnungen 14, die später beschrieben werden) durch das Harzgießrohr 16 (das später im Detail beschrieben wird) in die Form 10 (Hohlraum 9). In einem Beispiel ist das Harz 3 ein wärmehärtendes Zweikomponenten-Epoxidharz, das aus einem Grundharz und einem Härter besteht. Der Harzinjektor 60 umfasst daher einen Harzspeicher 61, einen Harzbehälter 62 und eine Druckvorrichtung 63 für das Grundharz, einen Harzspeicher 66, einen Harzbehälter 67 und eine Druckvorrichtung 68 für den Härter sowie ein Ventil 65, um das Harz 3, das ein Gemisch aus dem Grundharz und dem Härter ist, dem Harzgießrohr 16 zuzuführen.
In diesem Beispiel erstreckt sich das Harzgießrohr 16 von der oberen Form 12 in Richtung der unteren Form 11. Wie in 2 gezeigt, ist die untere Form 11 mit einem Hauptangusskanal 16a ausgestaltet, der sich bis zum Hohlraum 9 erstreckt, so dass er sich kontinuierlich an das Harzgießrohr 16 anschließt, sowie mit einer Mehrzahl von Angusskanälen 16b, die vom Hauptangusskanal 16a abzweigen, um Angussöffnungen (Harzeinlässe) 14 zu bilden, die zum Hohlraum 9 offen sind. In diesem Beispiel sind drei Angussöffnungen 14 vorgesehen. Die Angussöffnung 14 in der Mitte befindet sich an der Position, die dem mittleren Abschnitt (in axialer Richtung) des Vorformlings 2 gegenüberliegt, und die Angussöffnungen 14 an den gegenüberliegenden Enden befinden sich an den Positionen, die den gegenüberliegenden Endabschnitten (in axialer Richtung) des Vorformlings 2 gegenüberliegen. Es sei angemerkt, dass die Anzahl oder Größe der Angusskanäle 16b, die von dem Hauptangusskanal 16a abzweigen, die Öffnungsposition oder Größe der Angussöffnungen 14 und dergleichen nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt sind.
Das Harz 3, das durch das Harzgießrohr 16 fließt, fließt vom Hauptangusskanal 16a zu den drei Angusskanälen 16b. Dadurch kann der Harzinjektor 60 das Harz 3 durch das Harzgießrohr 16, den Hauptangusskanal 16a und die Angusskanäle 16b von den (drei) Angussöffnungen 14 in die Form 10 (in den Hohlraum 9) gießen (zuführen). Das heißt, der Harzinjektor 60, das Harzgießrohr 16, der Hauptangusskanal 16a und die Angusskanäle 16b bilden einen Harzgießmechanismus zum Gießen des Harzes 3 in die Form 10 (in den Hohlraum 9).
In der Form 10 ist ein Schneidkern 17 als beweglicher Kern, der sich vertikal relativ zu den Angusskanälen 16b bewegt, angeordnet, um das Harz 3 zu schneiden (dies kann als Anschnitt bzw. Schneiden des Anspritzpunkts bezeichnet werden), nachdem es durch die Angusskanäle 16b geflossen ist und mit einer vorbestimmten Viskosität ausgehärtet wurde. In diesem Beispiel ist der Schneidkern 17 mit einer Schneidkante zum Schneiden des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b vertikal verschiebbar in einer Passnut 11a aufgenommen, die sich vertikal in der Nähe des Hohlraums 9 in der unteren Form 11, d.h. in der Nähe der Angussöffnungen 14, erstreckt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schneidkern 17 so konfiguriert, dass er durch einen Heizmechanismus 80 (später beschrieben) auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt wird.
Nun wird ein Konfigurationsbeispiel zum (vollständigen) Schneiden des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b unter Bezugnahme auf 11 beschrieben.
Wie in der vergrößerten Ansicht des Querschnitts des Hauptteils von 11 gezeigt, ist die untere Form 11 zusätzlich zu der Passnut 11a und dem Schneidkern 17 beispielsweise mit einem Einführloch 11b versehen, das sich von dem Angusskanal 16b zwischen dem Schneidkern 17 und dem Harzgießrohr 16 nach unten erstreckt, d.h. sich von dem stromaufwärtigen Abschnitt des Angusskanals 16b relativ zu der Position des Schneidkerns 17 nach unten erstreckt. Ein Druckstift 19 als Druckelement ist in dem Einführloch 11b vertikal verschiebbar angeordnet. Der Druckstift 19 hat eine Endfläche (obere Endfläche), die einen Teil des Angusskanals 16b bildet, und ist so konfiguriert, dass er sich zusammen mit der oberen Form 12 (integral mit der oberen Form 12) bewegt und relativ zur unteren Form 11 vertikal beweglich ist. Es sei angemerkt, dass die Endflächen (obere Endflächen) des Schneidkerns 17 und des Druckstifts 19 in dem in 11 gezeigten Beispiel zwar bündig mit der Bodenfläche des Angusskanals 16b sind, aber nicht bündig mit der Bodenfläche des Angusskanals 16b sein müssen.
Der gesamte Fertigungsablauf wird später beschrieben. Das Schneiden des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b wird wie folgt durchgeführt. Zunächst wird das (ungehärtete) Harz 3, das durch das Harzgießrohr 16 geflossen ist, von den Angussöffnungen 14 durch den Hauptangusskanal 16a und die Angusskanäle 16b in den Hohlraum 9 injiziert/gegossen (d. h. der Harzgießschritt: S206, und der Schritt zum vollständigen Anziehen: S207, die später beschrieben werden). Zu diesem Zeitpunkt bildet die Endfläche (obere Endfläche) des Druckstifts 19 einen Teil der Angusskanäle 16b, und die Temperatur des Schneidkerns 17 wird auf der Formtemperatur gehalten.
Nachdem das Einfüllen des Harzes in den Hohlraum 9 gestoppt wurde, wird das Harz 3 ausgehärtet, und der Heizmechanismus 80 erwärmt den Schneidkern 17 auf eine hohe Temperatur (d. h. der Harzgießstopp und der Schritt zur Hochtemperaturerwärmung des Schneidkerns: S208, die später beschrieben werden). Zu diesem Zeitpunkt wird der Schneidkern 17 von der Temperatur der Form 10 (ca. 100 °C) auf eine höhere Temperatur (ca. 130 °C) als die Temperatur der Form 10 erhitzt.
Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit (zu einem Zeitpunkt, zu dem der Teil des Harzes 3 an der Position des Schneidkerns 17 einen halbgehärteten Zustand erreicht) wird der Schneidkern 17 angehoben (relativ zu den Angusskanälen 16b), um den Teil des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b an der Position des Schneidkerns 17 mit der Schneidkante des Schneidkerns 17 zu schneiden (d.h. der Schritt zum Anheben des Schneidkerns: S209, der später beschrieben wird). Zu diesem Zeitpunkt wird der Schneidkern 17 an die Position angehoben, an der die Schneidkante des Schneidkerns 17 die obere Form 12 (oder deren unterer Fläche) nicht berührt, um Beschädigungen zu vermeiden und die Haltbarkeit der Form 10 (der oberen Form 12) und der Schneidkante des Schneidkerns 17 zu gewährleisten. Infolgedessen wird der Teil des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b an der Position des Schneidkerns 17 so abgeschnitten, dass der obere Teil davon übrig bleibt. Mit anderen Worten, das Harz 3 in den Angusskanälen 16b wird in diesem Stadium noch nicht vollständig abgeschnitten.
Nachdem die Aushärtung des Harzes in dem Hohlraum 9 beendet ist, wird die Form 10 (die obere Form 12) geöffnet und der Hochdrucktank wird entfernt (d. h. der Entformungsschritt: S211, der später beschrieben wird). Zu diesem Zeitpunkt wird, wenn die obere Form 12 in Bezug auf die untere Form 11 angehoben wird, der in der unteren Form 11 angeordnete Druckstift 19 zusammen mit der oberen Form 12 (integral mit der oberen Form 12) angehoben. Infolgedessen wird der stromaufwärts gelegene Teil des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b relativ zum Schneidkern 17 (der Teil, der dem Hohlraum 9 in Bezug auf den Schneidkern 17 gegenüberliegt) zusammen mit der oberen Form 12 und dem Druckstift 19 angehoben, während er sandwichartig zwischen der oberen Form 12 (oder deren unterer Fläche) und dem Druckstift 19 (oder dessen oberer Endfläche) gehalten ist. Währenddessen verbleibt der stromabwärts gelegene Teil des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b relativ zum Schneidkern 17 (der Teil nahe des Hohlraums 9 in Bezug auf den Schneidkern 17) zusammen mit dem geformten Hochdrucktank auf der unteren Form 11. Dadurch wird eine (vertikale) Scherung zwischen dem stromabwärts gelegenen Teil und dem stromaufwärts gelegenen Teil des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b relativ zum Schneidkern 17 erzeugt, und die Scherung schneidet den oberen Teil (den verbleibenden Teil) des Harzes 3, der nicht vom Schneidkern 17 geschnitten wird, ab, wodurch das Harz 3 in den Angusskanälen 16b in der Nähe des Schneidkerns 17 vollständig abgeschnitten wird.
Es sei angemerkt, dass das oben beschriebene Konfigurationsbeispiel zum Schneiden des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b eines der Beispiele ist. Es ist unnötig zu erwähnen, dass in einem anderen Beispiel das Harz 3 in den Angusskanälen 16b vollständig mit der Schneidkante des Schneidkerns 17 abgeschnitten werden kann.
Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, umfasst die Herstellungsvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform einen Aushärtungsofen, um einen Nachhärtungsschritt durchzuführen, bei dem der aus der Form 10 entnommene Hochdrucktank 4 (d.h. der Vorformling 2, nachdem das Harz 3 imprägniert und ausgehärtet ist) auf eine höhere Temperatur (z.B. etwa 140 °C bis 160 °C) als die Temperatur der Form 10 (z.B. etwa 80 °C bis 100 °C) erhitzt wird.
Die Herstellungsvorrichtung 1 umfasst: einen Transfermechanismus 20, um den Vorformling 2 zu einer vorbestimmten Position zu transferieren; einen Formantriebsmechanismus 30, um die Form 10 (insbesondere die obere Form 12) in der Richtung zum Öffnen und Schließen der Form (vertikale Richtung) anzutreiben; einen Temperaturregler 40, um die Temperatur der Form 10 (untere Form 11, obere Form 12) zu regeln; einen Schneidkernantriebsmechanismus 70, um den Schneidkern 17 in der Richtung zum Schneiden (vertikale Richtung) anzutreiben; den Heizmechanismus 80, um den Schneidkern 17 zu erhitzen bzw. zu erwärmen; und die Steuervorrichtung 90 als ein Controller, um den Betriebszustand der gesamten Herstellungsvorrichtung 1 zu steuern (insbesondere die Betriebszustände des Transfermechanismus 20, des Formantriebsmechanismus 30, des Temperaturreglers 40, der Vakuumpumpe 50 in dem Vakuumentgasungsmechanismus und der Druckvorrichtungen 63 und 68 und des Ventils 65 des Harzinjektors 60 in dem Harzgießmechanismus, des Schneidkernantriebsmechanismus 70, des Heizmechanismus 80, etc. ).
[Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks]
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks veranschaulicht, der ein Beispiel für einen faserverstärkten Harzformkörper gemäß der Ausführungsform ist. 4 bis 9 sind vertikale Querschnittsansichten, die jeweils einen Schritt zum Platzieren des Vorformlings und einen Schritt zur Vakuumentgasung, einen Harzgießschritt, einen Schritt zum vollständigen Anziehen, einen Harzgießstopp und einen Schritt der Hochtemperaturerwärmung des Schneidkerns, einen Schritt zum Anheben des Schneidkerns und einen Harzaushärtungsschritt zeigen. 10 ist ein schematisches Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Aushärtungszeit und einer Viskosität des Harzes (Epoxidharz) zeigt, auf das bei der Bestimmung eines halbgehärteten Zustands Bezuggenommen wird.
(Formvorbereitungsschritt: S201)
Zunächst wird bei dem Verfahren die Form 10 vorbereitet, die die untere Form 11 und die obere Form 12 mit der oben beschriebenen Struktur umfasst. Wie oben beschrieben, umfasst die Form 10 (die untere Form 11) zum Beispiel den Schneidkern 17, der durch den Heizmechanismus 80 auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt werden kann.
(Vorformlingvorbereitungsschritt: S202)
Wie oben beschrieben, wird bei dem Verfahren zunächst der Vorformling 2 vorbereitet, bei dem eine Faserschicht durch Umwickeln (Wickeln) von Fasern um die äußere Fläche der Auskleidung gebildet wird.
(Formtemperatur-Halteschritt: S203)
Als nächstes veranlasst das Verfahren die Steuervorrichtung 90, den Temperaturregler 40 so zu steuern, dass die Temperatur der Form 10 (untere Form 11, obere Form 12) auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird. Wenn das Harz 3 ein wärmehärtendes Harz ist, ist diese vorbestimmte Temperatur gleich oder höher als die Aushärtungstemperatur des Harzes 3. Diese vorbestimmte Temperatur kann auf eine niedrige Temperatur eingestellt werden, die eine Entformung ermöglicht, zum Beispiel etwa 80 °C bis 100 °C.
Das Verfahren in diesem Beispiel hält die Temperatur der Form 10 zu Beginn auf der Aushärtungstemperatur des Harzes 3 oder darüber. In einem anderen Beispiel kann die Temperatur der Form 10 so gehalten werden, dass sie am Anfang niedriger als die Aushärtungstemperatur des Harzes 3 ist, und zu einem geeigneten Zeitpunkt in einem später beschriebenen Schritt (z.B. nach dem vollständigen Anziehen der Form 10) kann die Temperatur der Form 10 so gehalten werden, dass sie die Aushärtungstemperatur des Harzes 3 oder höher ist.
(Schritt zum Platzieren des Vorformlings: S204)
Anschließend steuert die Steuervorrichtung 90 den Transfermechanismus 20 und den Formantriebsmechanismus 30, um den Vorformling 2 in die Form 10 (d.h. den zwischen der unteren Form 11 und der oberen Form 12 gebildeten Hohlraum 9) zu legen (1, 4). Insbesondere legt der Transfermechanismus 20 beim Öffnen der oberen Form 12 den Vorformling 2 unter der Kontrolle der Steuervorrichtung 90 auf die untere Form 11 (oder den Abschnitt, der dem Hohlraum 9 in der unteren Form 11 entspricht) ab. Zu diesem Zeitpunkt stützt die Welle 25 den Vorformling 2. Danach startet der Formantriebsmechanismus 30 den Formverschluss in einem Zustand, in dem sich der Schneidkern 17 in einer niedrigen Position befindet, und zieht die obere Form 12 unter der Steuerung der Steuervorrichtung 90 vorübergehend fest. Das vorübergehende Anziehen ist ein Zwischenzustand zwischen dem Zustand, in dem die obere Form 12 offen ist, und dem vollständig angezogenen Zustand, und im Zustand des vorübergehenden Anziehens ist ein Spalt zwischen der unteren Form 11 und der oberen Form 12. Wie in 4 gezeigt, bewegt sich die obere Form 12 an eine Position mit einem Spalt (zweiter Spalt) von mehreren mm mit dem Vorformling 2. Dieser Spalt (zweiter Spalt) zwischen der oberen Form 12 und dem Vorformling 2 ist größer als ein Spalt (erster Spalt) zwischen der unteren Form 11 und dem Vorformling 2.
(Schritt zur Vakuumentgasung: S205)
Als nächstes steuert die Steuervorrichtung 90 die Vakuumpumpe 50 unter Beibehaltung des oben erwähnten Zustands des vorübergehenden Anziehens (d.h. vor Abschluss des Formverschlusses), um die Form 10 zu entgasen (4).
(Harzgießschritt: S206)
Nach Beendigung (oder Abschluss) der oben beschriebenen Vakuumentgasung wird das Harz 3 in die Form 10 injiziert/gegossen (5). Insbesondere öffnet die Steuervorrichtung 90 das Ventil 65, setzt das im Harzbehälter 62 gespeicherte Grundharz mit der Druckvorrichtung 63 unter Druck und setzt den im Harzbehälter 67 gespeicherten Härter mit der Druckvorrichtung 68 unter Druck, um das Grundharz und den Härter zu mischen und das (ungehärtete) Harz 3 herzustellen. Dies lässt das (ungehärtete) Harz 3 durch das Harzgießrohr 16 fließen, das sich von der oberen Form 12 zur unteren Form 11 erstreckt, so dass das Harz 3 von den Angussöffnungen (im dargestellten Beispiel die drei Angussöffnungen am mittleren Abschnitt und den gegenüberliegenden Endabschnitten des Vorformlings 2) 14 durch den Hauptangusskanal 16a und die Angusskanäle 16b in Richtung des Vorformlings 2 injiziert/gegossen wird. Da die obere Form 12 vorübergehend angezogen ist, wird das Harz 3 hauptsächlich in den Spalt (zweiten Spalt) zwischen der oberen Form 12 und den (die obere Fläche des) Vorformling(s) 2 injiziert und gegossen.
(Schritt zum vollständigen Anziehen: S207)
Als nächstes steuert die Steuervorrichtung 90 den Formantriebsmechanismus 30, um die obere Form 12 zum unteren Ende abzusenken, um die Form vollständig zu schließen (d.h. näher an den Vorformling 2 heranzubringen) und die obere Form 12 und die untere Form 11 vollständig zu schließen (vollständig anzuziehen) (6). Dadurch wird die Befüllung der Form 10 mit dem Harz 3 unter Druck gleichmäßig gehalten und eine Imprägnierung mit dem Harz 3 in der Laminierung der Faserschicht des Vorformlings 2 ermöglicht.
(Harzgießstopp und Schritt zur Hochtemperaturerwärmung des Schneidkerns: S208)
Dann, nachdem die Faserschicht vollständig mit dem Harz 3 imprägniert ist, stoppt das Verfahren das Eingießen des Harzes 3 in die Form 10 (in den Hohlraum 9) und härtet das Harz 3 aus (7). Gleichzeitig steuert die Steuervorrichtung 90 den Heizmechanismus 80, um die Hochtemperaturerwärmung nur des Schneidkerns 17 zu starten. Dabei wird der Schneidkern 17 von der Temperatur der Form 10 (z.B. ca. 80 °C bis 100 °C) auf eine höhere Temperatur (z.B. ca. 120 °C bis 140 °C) als die der Form 10 erhitzt. Dies beschleunigt und erleichtert die Aushärtung des Teils des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b an der Position des Schneidkerns 17. Darüber hinaus kann die Hochtemperaturerwärmung nur des Schneidkerns 17, der ein relativ kleineres Volumen als die Form 10 hat, den Teil des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b an der Position des Schneidkerns 17 effektiv (d. h. in kurzer Zeit) aushärten.
(Schritt zum Anheben des Schneidkerns: S209)
Zu einem Zeitpunkt, zu dem der Teil des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b an der Position des Schneidkerns 17 (im Folgenden kann der Teil als der Teil des Harzes 3, der nicht das Produkt ist, bezeichnet werden) durch die Hochtemperaturerwärmung des Schneidkerns 17 einen halbgehärteten Zustand erreicht, steuert die Steuervorrichtung 90 den Schneidkernantriebsmechanismus 70, um den Schneidkern 17 anzuheben und den Teil des Harzes 3, der nicht das Produkt ist, zu schneiden (8). Der Zeitpunkt, zu dem der Teil des Harzes 3, der nicht das Produkt ist, in einen halbgehärteten Zustand gelangt, kann als ein im Voraus festgelegter Zeitpunkt bestimmt werden, z.B. anhand der in 10 dargestellten Beziehung zwischen der Aushärtungszeit und der Viskosität des Harzes 3. Im „halbgehärteten Zustand“ liegt die Viskosität des Harzes 3 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, und der Begriff „halbgehärteter Zustand“, wie er in der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, bezieht sich auf einen Zustand von dem Zeitpunkt, an dem die Viskosität nach dem Beginn der Aushärtung mit steigender Viskosität vorübergehend abzunehmen beginnt, bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Viskosität bei Abschluss der Aushärtung etwa 90 % der maximalen Viskosität erreicht. Dabei kann das Harz 3 unter Beibehaltung der Temperatur des Schneidkerns 17 (z.B. etwa 120 °C bis 140 °C) mit dem Schneidkern 17 geschnitten werden.
(Harzaushärtungsschritt: S210)
Nach dem Schneiden mit dem oben beschriebenen Schneidkern 17 härtet das Verfahren das Harz 3 in der Form 10 (in dem Hohlraum 9) aus (genauer gesagt, das Harz 3, mit dem der Vorformling 2 in der dem Hohlraum 9 imprägniert ist) (9). Dabei wird die Härte (Viskosität) des Harzes 3 so eingestellt, dass eine Entformung (ein Entnehmen aus der Form) möglich ist.
(Entformungsschritt: S211)
Nachdem die Aushärtung des Harzes 3 beendet ist, steuert die Steuervorrichtung 90 den Formantriebsmechanismus 30, um die Form 10 (die obere Form 12) zu öffnen, um den geformten Hochdrucktank 4 (den Vorformling 2, nachdem das Harz 3 imprägniert und ausgehärtet ist) aus der Form 10 zu entfernen. In der vorliegenden Ausführungsform wird beim Öffnen der oberen Form 12 der Teil des Harzes 3, der nicht das Produkt ist, vollständig abgeschnitten (abgeschert) (siehe 11). Wenn die Aushärtung des Harzes 3 endet, erhält man den Hochdrucktank 4 mit der faserverstärkten Harzschicht, die auf dem Außenumfang der Auskleidung gebildet ist.
(Nachhärtungsschritt: S212)
Als nächstes steuert die Steuervorrichtung 90 den Transfermechanismus 20, um den aus der Form 10 entnommenen, geformten Hochdrucktank 4 zu einem Aushärtungsofen (nicht dargestellt) zu befördern, um einen Nachhärtungsschritt durchzuführen. Der Nachhärtungsschritt erwärmt den Hochdrucktank 4 auf eine höhere Temperatur (z.B. ca. 140 °C bis 160 °C) als die Temperatur der Form 10 (z.B. ca. 80 °C bis 100 °C). Dies erhöht die intermolekularen Bindungen (beschleunigt die Reaktion) im Harz 3 des Hochdrucktanks 4 und härtet das Harz 3 des Hochdrucktanks 4 (vollständig aus), bis es stabile Eigenschaften als Produkt aufweist.
Es sei angemerkt, dass die Heiztemperatur im Nachhärtungsschritt höher ist als die Heiztemperatur des Schneidkerns 17. Mit anderen Worten, die oben erwähnte Heiztemperatur des Schneidkerns 17 (z.B. etwa 120 °C bis 140 °C) ist höher als die Temperatur der Form 10 (z.B. etwa 80 °C bis 100 °C) und niedriger als die Heiztemperatur im Nachhärtungsschritt (z.B. etwa 140 °C bis 160 °C). Wenn beispielsweise die Heiztemperatur des Schneidkerns 17 zu hoch ist (d. h. höher oder gleich der Aushärtungstemperatur), beginnt das Harz 3 teilweise auszuhärten, was zu Schwankungen im ausgehärteten Zustand im nachfolgenden Harzaushärtungsschritt (S210) führt. Mit anderen Worten: Durch Einstellen der Heiztemperatur des Schneidkerns 17 auf eine so hohe Temperatur, dass das Harz 3 im Vergleich zum Tankabschnitt fast vollständig ausgehärtet ist, ist es möglich, das Harz 3 deutlich zu schneiden (wenn die Schnittfläche nicht deutlich ist, nimmt die Festigkeit von der Schnittfläche ab). Wenn jedoch das Harz 3 vollständig ausgehärtet wird, indem die Heiztemperatur des Schneidkerns 17 auf eine viel höhere Temperatur eingestellt wird, wird das Harz 3 nicht mit dem Tankabschnitt integriert (der Abschnitt des Harzes 3 wird zu einem Fremdkörper, und somit nimmt die Festigkeit ab dem Abschnitt ab).
Wie oben beschrieben, werden bei der Herstellung eines Hochdrucktanks für Brennstoffzellenfahrzeuge mit dem RTM-Verfahren nach der Imprägnierung des Epoxidharzes und dem Aushärten des Epoxidharzes in der Form die anderen Teile des Harzes, die nicht das Produkt sind, wie z.B. ein Anguss, ein Anspritzpunkt usw., abgeschnitten und der Nachbearbeitung unterzogen. Zu diesem Zeitpunkt können Schwankungen in der Zeit und der Tanktemperatur vor dem anschließenden Nachhärtungsschritt kritische Qualitätsprobleme verursachen, die zu einer Verschlechterung der Tankleistung führen.
Um die Aushärtungsbedingung (Zeit und Temperatur) im RTM-Verfahren zu steuein und zu stabilisieren und die Schritte zu integrieren, indem die Nachbearbeitung in der RTM-Form durchgeführt wird, verfügt die vorliegende Ausführungsform in der Form über den Schneidkern 17 als einen beweglichen Kern zum Schneiden des Teils, der nicht das Tankprodukt ist, während der Harzimprägnierung im RTM-Schritt und den Heizmechanismus 80 für den Schneidkern, und schneidet den zu schneidenden Teil des Harzes, während er schnell in der Form aushärtet, wodurch der Teil des Harzes, der nicht das Produkt ist, im RTM-Harzimprägnierungsschritt entfernt wird.
Nach dem Einsetzen des Tanks (Vorformlings 2) in die Form 10 und dem Formverschluss und dem anschließenden Gießen des Harzes 3 wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Tank (die Faserschicht des Vorformlings 2) mit dem Harz 3 imprägniert und das Harz 3 ausgehärtet. Zu einem Zeitpunkt, zu dem das Aushärten des Harzes 3 beginnt, startet die vorliegende Ausführungsform die Hochtemperaturerwärmung des Schneidkerns 17 in dem zu schneidenden Abschnitt und erleichtert das Aushärten des zu schneidenden Teils des Harzes 3, der nicht das Produkt ist. Zu einem Zeitpunkt, zu dem nur der zu schneidende Teil des Harzes 3 halb ausgehärtet ist, hebt die vorliegende Ausführungsform den beheizten Schneidkern 17 an und schneidet den zu schneidenden Teil des Harzes 3 in der Form. Dann, nachdem die Aushärtung des Harzes 3 beendet und der Tank entfernt ist, übergibt die vorliegende Ausführungsform kontinuierlich nur den Tank an den Nachhärtungsschritt, wodurch ein Hochdrucktank hergestellt wird. Da sich die Zeit und die Temperatur vor dem Nachhärtungsschritt nach dem Imprägnieren des Epoxidharzes und dem Aushärten des Epoxidharzes in der Form nicht ändern, kann die vorliegende Ausführungsform einen Hochdrucktank mit einer stabilen Aushärtungsreaktion herstellen.
Es sei angemerkt, dass, da bei der vorliegenden Ausführungsform nicht die gesamte Form auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, die Epoxidharzimprägnierung nicht durch einen Anstieg der Viskosität zusammen mit dem Erhitzen verringert wird, und die vorliegende Ausführungsform kann den zu schneidenden Teil des Harzes 3, der nicht das Tankprodukt ist, in der RTM-Form schneiden, was eine kontinuierliche Herstellung von Tankprodukten ermöglicht.
Auf diese Weise schneidet die vorliegende Ausführungsform, wenn ein dicker Tank durch die RTM-Imprägnierungstechnologie geformt wird, den zu schneidenden Teil des Harzes 3, der nicht das Tankprodukt ist, in der Form. Diese Konfiguration kann die Aushärtungsreaktion steuern und stabilisieren und ermöglicht außerdem eine kontinuierliche Produktion von Tankprodukten durch Integration der Schritte in der Nachbearbeitung. Somit kann die vorliegende Ausführungsform einen Hochdrucktank 4 herstellen, der die Verbesserung der Harzimprägnierung, der Qualität und der Tankleistung und gleichzeitig die Kostenreduzierung erreicht.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform bei Verwendung des Schneidkerns 17, der auf eine höhere Temperatur als die der Form 10 erhitzt wird, das Aushärten des zu schneidenden Teils des Harzes (duroplastisches Harz) 3 in den Angusskanälen 16b erleichtert, und der zu schneidende Teil des Harzes 3 in den Angusskanälen 16b wird durch den Schneidkern 17 geschnitten. Diese Konfiguration kann den Anschnitt durchführen, ohne Fremdkörper zu erzeugen, und auch das Harz 3 stabil aushärten lassen, wodurch die Festigkeit des Hochdrucktanks (faserverstärkter Harzformkörper) 4 erhöht wird.
Darüber hinaus kann der Nachhärtungsschritt die Festigkeit des Hochdrucktanks (faserverstärkter Harzformkörper) 4 erhöhen, und die Durchführung des Anschnittes in der Form 10 kann die Temperaturänderung im Produkt vor dem Nachhärten unterdrücken, wodurch die Festigkeit und Qualität des Hochdrucktanks (faserverstärkter Harzformkörper) 4 effektiv erhöht wird.
Darüber hinaus kann die vorliegende Ausführungsform durch Einstellen der Temperatur des Schneidkerns 17 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs eine ausgezeichnete Schneidfläche in dem Teil des Harzes 3 erhalten, der in den Angusskanälen 16b geschnitten werden soll, wodurch die Festigkeit des Hochdrucktanks (faserverstärkter Harzformkörper) 4 effektiv erhöht wird.
Das ist eine detaillierte Beschreibung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die spezifische Konfiguration der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, und die Ausführungsform kann auf verschiedene Weise modifiziert werden, ohne von der Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Erfindung deckt solche modifizierten Ausführungsformen ab.
Bezugszeichenliste

1: Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank (faserverstärkter Harzformkörper)
2: Vorformling
3: Harz
4: Hochdrucktank (faserverstärkter Harzformkörper)
9: Hohlraum
10: Form
11: Untere Form (erste Form)
11a: Passnut
11b: Einführloch
12: Obere Form (zweite Form)
14: Angussöffnung
15: Vakuumentgasungsrohr (Vakuumentgasungsmechanismus)
16: Harzgießrohr (Harzgießmechanismus)
16a: Hauptangusskanal (Harzgießmechanismus)
16b: Angusskanal (Harzgießmechanismus)
17: Schneidkern
19: Druckstift (Druckelement)
20: Transfermechanismus
25: Welle
30: Formantriebsmechanismus
40: Temperaturregler
50: Vakuumpumpe (Vakuumentgasungsmechanismus)
60: Harzinjektor (Harzgießmechanismus)
61,66: Harzspeicher
62, 67: Harzbehälter
63,68: Druckvorrichtung
65: Ventil
70: Schneidkernantriebsmechanismus
80: Heizmechanismus
90: Steuervorrichtung

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

JP 2019056415 A [0003]
JP 2019081310 A [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers, wobei das Verfahren das Ausbilden eines Vorformlings, der eine Faserschicht auf einer Außenfläche einer Auskleidung enthält, das Imprägnieren der Faserschicht des Vorformlings mit Harz und das Aushärten des Harzes umfasst, aufweisend: einen Schritt zum Vorbereiten einer Form mit einem Angusskanal zum Gießen von Harz in einen Hohlraum, wobei das Harz ein wärmehärtendes Harz umfasst, und ein Schneidkern darin angeordnet ist, wobei der Schneidkern relativ zu dem Angusskanal beweglich ist, um das Harz in dem Angusskanal zu schneiden; einen Schritt zum Platzieren des Vorformlings in dem Hohlraum; einen Schritt zum Gießen von Harz in den Hohlraum durch den Angusskanal; einen Schritt zum Stoppen des Gießens des Harzes in den Hohlraum, um das Harz auszuhärten, und zum Erwärmen des Schneidkerns auf eine höhere Temperatur als die der Form; einen Schritt zum Schneiden des Harzes in dem Angusskanal durch Bewegen des Schneidkerns relativ zu dem Angusskanal, wenn eine Viskosität eines Teils des Harzes in dem Angusskanal an einer Position des Schneidkerns innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt; und einen Schritt zum Entformen des Vorformlings, während die Form geöffnet wird, nachdem das Aushärten des in den Vorformling imprägnierten Harzes endet.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers nach Anspruch 1, wobei zu einem Zeitpunkt, der vorab aus einer Beziehung zwischen einer Aushärtungszeit und einer Viskosität des Harzes festgelegt wird, bestimmt wird, dass die Viskosität des Teils des Harzes im Angusskanal an der Position des Schneidkerns innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers nach Anspruch 1, wobei: in dem Schritt zum Schneiden des Harzes in dem Angusskanal ein Teil des Harzes in dem Angusskanal durch den Schneidkern geschnitten wird; und in dem Schritt zum Entformen des Vorformlings beim Öffnen der Form eine Scherung zwischen einem Teil des Harzes im Angusskanal nahe dem Hohlraum in Bezug auf den Schneidkern und einem Teil des Harzes im Angusskanal gegenüber dem Hohlraum in Bezug auf den Schneidkern erzeugt wird, und ein verbleibender Teil des Harzes im Angusskanal geschnitten wird.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers nach Anspruch 1, ferner aufweisend, nach dem Schritt zum Entformen des Vorformlings, einen Nachhärtungsschritt, bei dem der Vorformling auf eine höhere Temperatur als eine Temperatur der Form erhitzt wird.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers nach Anspruch 4, wobei eine Heiztemperatur des Schneidkerns höher ist als die Temperatur der Form und niedriger als eine Heiztemperatur im Nachhärtungsschritt.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers nach Anspruch 1, wobei: die Form eine erste Form und eine zweite Form umfasst; und in dem Schritt zum Platzieren des Vorformlings in dem Hohlraum der Vorformling zwischen der ersten Form und der zweiten Form angeordnet wird, um einen ersten Spalt zwischen der ersten Form und dem Vorformling und einen zweiten Spalt zwischen der zweiten Form und dem Vorformling zu definieren, wobei der zweite Spalt größer als der erste Spalt ist, wobei das Verfahren weiterhin aufweist, in dem Schritt zum Gießen von Harz in den Hohlraum durch den Angusskanal, einen Schritt zum Annähern der zweiten Form an den Vorformling, um den Hohlraum unter Druck mit dem Harz zu füllen.
Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformartikels, zum Ausbilden eines Vorformlings mit einer Faserschicht auf einer Außenfläche einer Auskleidung, zum Imprägnieren der Faserschicht des Vorformlings mit Harz, und zum Aushärten des Harzes, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Form mit einem Angusskanal zum Gießen von Harz in einen Hohlraum, wobei das Harz ein wärmehärtendes Harz umfasst, und ein Schneidkern darin angeordnet ist, wobei der Schneidkern relativ zu dem Angusskanal beweglich ist, um das Harz in dem Angusskanal zu schneiden; einen Heizmechanismus, der konfiguriert ist, um den Schneidkern zu erwärmen; einen Schneidkernantriebsmechanismus, der konfiguriert ist, um den Schneidkern anzutreiben; einen Formantriebsmechanismus, der konfiguriert ist, um die Form in einer Richtung zum Öffnen und Schließen der Form anzutreiben; einen Harzgießmechanismus, der konfiguriert ist, um das Harz durch den Angusskanal in den Hohlraum zu gießen; und eine Steuervorrichtung, die konfiguriert ist, um Betriebszustände des Heizmechanismus, des Schneidkernantriebsmechanismus, des Formantriebsmechanismus und des Harzgießmechanismus zu steuern, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um den Formantriebsmechanismus zu steuern, um den Vorformling in dem Hohlraum zu platzieren; den Harzgießmechanismus zu steuern, um Harz durch den Angusskanal in den Hohlraum zu gießen; den Harzgießmechanismus zu steuern, um das Gießen des Harzes in den Hohlraum zu stoppen, um das Harz auszuhärten, und den Heizmechanismus zu steuern, um den Schneidkern auf eine höhere Temperatur als die Form zu erwärmen; den Schneidkernantriebsmechanismus zu steuern, um das Harz in dem Angusskanal zu schneiden, indem der Schneidkern relativ zu dem Angusskanal bewegt wird, wenn eine Viskosität eines Teils des Harzes in dem Angusskanal an einer Position des Schneidkerns innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt; und den Formantriebsmechanismus zu steuern, um den Vorformling zu entformen, während die Form geöffnet wird, nachdem das Aushärten des in den Vorformling imprägnierten Harzes endet.
Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers nach Anspruch 7, wobei die Steuervorrichtung zu einem Zeitpunkt, der vorab aus einer Beziehung zwischen einer Aushärtungszeit und einer Viskosität des Harzes festgelegt wird, bestimmt, dass die Viskosität des Teils des Harzes im Angusskanal an der Position des Schneidkerns innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers nach Anspruch 7, wobei: die Form eine erste Form und eine zweite Form umfasst und ein Druckelement aufweist, wobei das Druckelement einen Teil des Angusskanals an einer Position im Angusskanal gegenüber dem Hohlraum in Bezug auf die Position des Schneidkerns bildet und integral mit der zweiten Form beweglich ist und relativ zur ersten Form beweglich ist, und die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um den Schneidkernantriebsmechanismus zu steuern, um den Schneidkern relativ zu dem Angusskanal zu bewegen, um einen Teil des Harzes in dem Angusskanal zu schneiden; und, wenn die Form geöffnet wird, den Formantriebsmechanismus zu steuern, um einen Teil des Harzes in dem Angusskanal gegenüber dem Hohlraum in Bezug auf den Schneidkern sandwichartig zwischen der zweiten Form und dem Druckelement aufzunehmen, um eine Scherung zwischen einem Teil des Harzes in dem Angusskanal nahe dem Hohlraum in Bezug auf den Schneidkern und einem Teil des Harzes in dem Angusskanal gegenüber dem Hohlraum in Bezug auf den Schneidkern zu erzeugen, und um einen verbleibenden Teil des Harzes in dem Angusskanal zu schneiden.
Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers nach Anspruch 7, ferner aufweisend einen Aushärtungsofen, um einen Nachhärtungsschritt durchzuführen, bei dem der Vorformling nach dem Entformen des Vorformlings auf eine höhere Temperatur als die Temperatur der Form erhitzt wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers nach Anspruch 10, wobei eine Heiztemperatur des Schneidkerns höher ist als eine Temperatur der Form und niedriger als eine Heiztemperatur im Nachhärtungsschritt.
Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Harzformkörpers nach Anspruch 7, wobei: die Form eine erste Form und eine zweite Form umfasst; und die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um den Formantriebsmechanismus zu steuern, um den Vorformling zwischen der ersten Form und der zweiten Form zu platzieren, um einen ersten Spalt zwischen der ersten Form und dem Vorformling und einen zweiten Spalt zwischen der zweiten Form und dem Vorformling zu definieren, wobei der zweite Spalt größer als der erste Spalt ist; den Harzgießmechanismus zu steuern, um Harz durch den Angusskanal in den Hohlraum zu gießen; und den Formantriebsmechanismus zu steuern, um die zweite Form nahe an den Vorformling zu bringen, um den Hohlraum unter Druck mit dem Harz zu füllen.