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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gastanks, insbesondere eines Wasserstofftanks.
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Ein herkömmlicher Wasserstofftank kann eine thermoplastische Innenauskleidung und eine duroplastische Außenhülle aus einem Endlosfaserverbundwerkstoff aufweisen. Zur Herstellung eines solchen Wasserstofftanks kann herkömmlich ein Innenauskleidungsbauteil unter Verwendung eines Rotationsgießverfahrens hergestellt werden. Anschließend kann der Endlosfaserverbundwerkstoff in mehreren Schichten auf das Innenauskleidungsbauteil aufgewickelt werden. Hierbei muss das Innenauskleidungsbauteil den Belastungen des Wickelvorgangs standhalten, weshalb eine Wandstärke des Innenauskleidungsbauteils üblicherweise überdimensioniert wird. Dies geht mit einem nachteilig erhöhten Gewicht des Wasserstofftanks einher.
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Die
US 2014 / 295 323 A1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters für ein Brennstoffzellensystem. Es wird eine Schmelzkernanordnung gebildet, aufweisend ein erstes Material, das eine allgemein achsensymmetrische Form um eine im Wesentlichen längs gerichtete Achse herum aufweist, die innerhalb des Druckbehälters definiert ist, um einen Kern zu definieren, zumindest einen Ansatz, der an zumindest einem Ende des Kerns befestigt ist, wobei der zumindest eine Ansatz eine einen Brennstoffzellen-Reaktanden aufnehmende Durchbrechung darin definiert, und ein zweites Material, so dass nach dem Eintauchen des Kerns darin und anschließendem Erstarren des zweiten Materials das erste und das zweite Material und der zumindest eine Ansatz die Anordnung definieren, wobei das zweite Material einen Auskleidungsabschnitt davon umfasst. Es wird zudem eine Verstärkungsstruktur um zumindest einen Abschnitt des zumindest einen Ansatzes und die Auskleidung der Anordnung herum gebildet. Des Weiteren wird der Kern von der Anordnung entfernt, um einen inneren Raum darin zu definieren, der in der Lage ist, einem Druck bis zu mindestens etwa 30 Bar von einem anschließend darin angeordneten Brennstoffzellensystem-Reaktanden standzuhalten.
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Die
CN 109 968 687 A offenbart eine Kernform zum Wickeln eines Verbundmaterials und ein Kernformherstellungsverfahren. Die Kernform weist ein vorderes Dichtkopfmetallteil, eine vordere Dichtkopfanordnung, einen Zylinder, ein Hohlraumfüllmaterial und einen flexibles Füllmaterial enthaltenden Körper auf. Das vordere Dichtkopfmetallteil ist an einem Ende der vorderen Dichtkopfanordnung installiert. Der Zylinder ist am anderen Ende der vorderen Dichtkopfanordnung installiert. In dem Abschnitt zwischen dem vorderen Dichtkopfmetallteil und dem Zylinder der vorderen Dichtkopfanordnung ist ein Hohlraum ausgebildet. Der flexibles Füllmaterial enthaltende Körper ist in dem Hohlraum installiert. Das Hohlraumfüllmaterial ist in dem flexibles Füllmaterial enthaltenden Körper angeordnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Herstellung von leichtgewichtigeren Gastanks zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, aufweisend die Schritte:
- - Anordnen zumindest eines Tankanschlussbauteils des Gastanks derart an einer Gießform, dass ein Abschnitt des Tankanschlussbauteils in eine Kavität der Gießform hineinragt;
- - teilweises Befüllen der Kavität mit einem thermoplastischen Werkstoff, der mit einem Treibmittel versetzt ist;
- - Bilden eines Auskleidungsrohlings durch thermische Aktivierung des Treibmittels, während unter Verwendung von Heißluft ein Gegendruck derart an das Tankanschlussbauteil angelegt wird, dass mittig innerhalb des Auskleidungsrohlings ein von dem Tankanschlussbauteil ausgehender Hohlraum ausgebildet wird;
- - Aushärten des Auskleidungsrohlings durch Abkühlen des Auskleidungsrohlings;
- - Entnehmen des Auskleidungsrohlings aus der Gießform vor oder nach dem Aushärten des Auskleidungsrohlings;
- - Bilden eines Tankrohlings durch Umwickeln des Auskleidungsrohlings mit einem duroplastischen Faserverbundwerkstoff; und
- - Bilden des Gastanks durch gleichzeitiges Erwärmen und Drehen des Tankrohlings derart, dass der Faserverbundwerkstoff ausgehärtet und der Werkstoff des Auskleidungsrohlings geschmolzen und gleichmäßig innen an dem Faserverbundwerkstoff verteilt wird.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit der Figur zusätzlich.
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Erfindungsgemäß wird zunächst ein formstabiler Auskleidungsrohling durch Aufschäumen des thermoplastischen Werkstoffs hergestellt, auf den dann der duroplastische Faserverbundwerkstoff aufgewickelt wird. Dabei kann der Auskleidungsrohling die auf ihn während des Aufwickelvorgangs einwirkenden Kräfte sehr gut aufnehmen, ohne durch diese Kräfte verformt oder beschädigt zu werden. Wäre der thermoplastische Werkstoff des Auskleidungsrohlings nicht aufgeschäumt, müsste deutlich mehr thermoplastischer Werkstoff zur Herstellung des Auskleidungsrohlings verwendet werden, um dieselbe Formstabilität wie diejenige des aufgeschäumten Auskleidungsrohlings zu erreichen.
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Nach dem Aufwickeln des duroplastischen Faserverbundwerkstoffs auf den Auskleidungsrohling bzw. nach Bildung des Tankrohlings wird die Aufschäumung des thermoplastischen Werkstoffs des Auskleidungsrohlings wieder beseitigt, indem der thermoplastische Werkstoff geschmolzen wird. Dabei wird der Tankrohling gedreht, wie es bei einem Rotationsgießverfahren üblich ist, so dass sich der geschmolzene thermoplastische Werkstoff zur Ausbildung einer einheitlichen Wandstärke bzw. Schichtdicke als Barriereschicht gleichmäßig innen an der aus dem duroplastischen Faserverbundwerkstoff hergestellten Tankaußenhülle verteilen kann.
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Zur erfindungsgemäßen Herstellung des Gastanks wird zunächst zumindest ein Tankanschlussbauteil des Gastanks derart an der Gießform angeordnet, dass ein Abschnitt der Tankanschlussbauteils in die Kavität der Gießform hineinragt. Hierzu kann die Gießform beispielsweise zur Anordnung des Tankanschlussbauteils an der Gießform zunächst geöffnet und anschließend wieder geschlossen werden. Das Tankanschlussbauteil wird vorzugsweise ortsfest an der Gießform fixiert. Das Tankanschlussbauteil kann beispielsweise als Ventilhaltebuchse ausgebildet sein, an der ein Tankventil, ein Temperatursensor zum Messen einer Temperatur innerhalb des Gastanks oder dergleichen angeordnet werden kann. Das Tankventil und/oder der Temperatursensor können beispielsweise auch bereits an dem Tankanschlussbauteil angeordnet sein, wenn das Tankanschlussbauteil an der Gießform fixiert wird.
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Als Nächstes wird die Kavität teilweise mit dem thermoplastischen Werkstoff, der mit dem Treibmittel versetzt ist, befüllt. Diese Befüllung kann über das Tankanschlussbauteil erfolgen. Die Kavität der Gießform kann beispielsweise zu weniger als 50 %, insbesondere weniger als 30 %, mit dem thermoplastischen Werkstoff befüllt werden.
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Danach wird der Auskleidungsrohling gebildet, indem das Treibmittel des thermoplastischen Werkstoffs thermisch aktiviert wird, während gleichzeitig unter Verwendung von Heißluft ein Gegendruck derart an das Tankanschlussbauteil angelegt wird, dass mittig innerhalb des Auskleidungsrohlings ein von dem Tankanschlussbauteil ausgehender Hohlraum ausgebildet wird. Die thermische Aktivierung des Treibmittels kann beispielsweise durch eine Erwärmung der Gießform bewirkt werden. Durch das Anlegen des Gegendrucks an das Tankanschlussbauteil kann verhindert werden, dass ein Teil des aufgeschäumten thermoplastischen Werkstoffs über das Tankanschlussbauteil die Kavität der Gießform verlässt. Zudem wird durch den Gegendruck der Hohlraum innerhalb des Auskleidungsrohlings gebildet, der später dazu dient, dass der thermoplastische Werkstoff wieder gleichmäßig geschmolzen und innen an dem duroplastischen Faserverbundwerkstoff verteilt werden kann. Zur Erzeugung des Gegendrucks kann beispielsweise eine Pumpe verwendet werden. Die Heißluft kann mittels einer Heizeinheit erzeugt werden, der Umgebungsluft zugeführt wird.
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Nachdem der thermoplastische Werkstoff des Auskleidungsrohlings, vorzugsweise vollständig, aufgeschäumt worden ist, wird der Auskleidungsrohling abgekühlt und hierdurch ausgehärtet. Die Abkühlung des Auskleidungsrohlings kann innerhalb der geschlossenen oder geöffneten Gießform erfolgen. Alternativ kann das Abkühlen des Auskleidungsrohlings außerhalb der Gießform erfolgen, nachdem der Auskleidungsrohling der Gießform entnommen worden ist.
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Der Tankrohling wird anschließend durch einfaches oder mehrfaches Umwickeln des ausgehärteten Auskleidungsrohlings mit dem duroplastischen Faserverbundwerkstoff hergestellt. Dabei kann der duroplastische Faserverbundwerkstoff Endlosfasern und eine Matrix aus Epoxidharz enthalten. Die Fasern des duroplastischen Faserverbundwerkstoffs können beispielsweise unidirektional gelegt und/oder Kohlenstofffasern, Glasfasern oder dergleichen sein.
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Zur finalen Bildung des Gastanks wird der Tankrohling gleichzeitig erwärmt und entsprechend einem Rotationsgießverfahrens gedreht, so dass einerseits der Faserverbundwerkstoff ausgehärtet und andererseits der thermoplastische Werkstoff des Auskleidungsrohlings geschmolzen und gleichmäßig innen an dem Faserverbundwerkstoff verteilt wird. Abschließend kann dieser Gastank abgekühlt werden, insbesondere um das thermoplastische Kunststoffmaterial in seiner neuen Formgebung auszuhärten.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Gastanks in Form von Druckbehältern zur Speicherung verschiedener Gase hergestellt werden. Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Wasserstofftank hergestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur thermischen Aktivierung des Treibmittels die Gießform, insbesondere für 20 min bis 30 min, auf eine Temperatur in einem Bereich von 200 °C bis 240 °C erwärmt. Das Treibmittel wird also indirekt über die Gießform erwärmt, beispielsweise für einen im Vergleich zu einer herkömmlichen Gastankherstellung sehr kurzen Zeitraum.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Bildung des Gastanks der Tankrohling, insbesondere für 20 min bis 30 min, auf eine Temperatur in einem Bereich von 160 °C bis 200 °C erwärmt. Auch diese Erwärmung kann für einen im Vergleich zu einer herkömmlichen Gastankherstellung sehr kurzen Zeitraum erfolgen, was die Herstellung des Gastanks insgesamt sehr schnell und produktiv macht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird während der Bildung des Gastanks unter Verwendung von Luft ein Gegendruck an das Tankanschlussbauteil angelegt. Dies begünstigt die Bildung einer dünnen Barriereschicht des thermoplastischen Werkstoffs innen an dem duroplastischen Faserverbundwerkstoff.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Treibmittel unter Verwendung von Infrarotstrahlung thermisch aktiviert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird als thermoplastischer Werkstoff ein Polyoxymethylen oder ein flüssigkristalliner Polymerwerkstoff verwendet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der thermoplastische Werkstoff als Granulat in die Kavität eingefüllt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt
- 1A-E schematische Darstellungen von Verfahrensschritten eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Verfahren.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Gastanks 1, insbesondere eines Wasserstofftanks.
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In einem in 1A gezeigten Verfahrensschritt wird ein Tankanschlussbauteil 2 des Gastanks 1 derart an einer Gießform 3 angeordnet, dass ein Abschnitt des Tankanschlussbauteils 2 in eine Kavität 4 der Gießform 3 hineinragt, wobei das Tankanschlussbauteil 2 als Ventilhaltebuchse ausgebildet ist.
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In einem in 1B gezeigten Verfahrensschritt wird die Kavität 4 teilweise mit einem thermoplastischen Werkstoff 5, der mit einem nicht gezeigten Treibmittel versetzt ist, befüllt. Als thermoplastischer Werkstoff 5 kann hierbei ein Polyoxymethylen oder ein flüssigkristalliner Polymerwerkstoff verwendet werden. Der thermoplastische Werkstoff 5 wird als Granulat in die Kavität 4 eingefüllt.
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In einem in 1C gezeigten Verfahrensschritt wird ein Auskleidungsrohling 6 durch thermische Aktivierung des Treibmittels gebildet, während unter Verwendung von Heißluft ein Gegendruck derart an das Tankanschlussbauteil 2 angelegt wird, dass mittig innerhalb des Auskleidungsrohlings 6 ein von dem Tankanschlussbauteil 2 ausgehender Hohlraum 7 ausgebildet wird. Zur thermischen Aktivierung des Treibmittels kann die Gießform 3, insbesondere für 20 min bis 30 min, auf eine Temperatur in einem Bereich von 200 °C bis 240 °C erwärmt werden. Hierbei kann das Treibmittel indirekt unter Verwendung von Infrarotstrahlung thermisch aktiviert werden.
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Anschließend kann der Auskleidungsrohling 6 durch Abkühlen des Auskleidungsrohlings 6 ausgehärtet werden. Der Auskleidungsrohling 6 kann vor oder nach dem vollständigen Aushärten aus der Gießform 3 entnommen werden.
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In einem in 1 D gezeigten Verfahrensschritt wird ein Tankrohling 8 durch Umwickeln des Auskleidungsrohlings 6 mit einem duroplastischen Faserverbundwerkstoff 9 gebildet.
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In einem in 1 E gezeigten Verfahrensschritt wird der Gastank 1 durch gleichzeitiges Erwärmen und Drehen des in 1D gezeigten Tankrohlings 8 derart gebildet, dass der Faserverbundwerkstoff 9 ausgehärtet und der Werkstoff des in 1D gezeigten Auskleidungsrohlings 6 geschmolzen und als dünne Barriereschicht 10 gleichmäßig innen an dem Faserverbundwerkstoff 9 verteilt wird. Zur Bildung des Gastanks 1 kann der Tankrohling 8, insbesondere für 20 min bis 30 min, auf eine Temperatur in einem Bereich von 160 °C bis 200 °C erwärmt werden. Während der Bildung des Gastanks 1 kann unter Verwendung von Luft ein Gegendruck an das Tankanschlussbauteil 2 angelegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gastank
- 2
- Tankanschlussbauteil
- 3
- Gießform
- 4
- Kavität von 3
- 5
- thermoplastischer Werkstoff
- 6
- Auskleidungsrohling
- 7
- Hohlraum in 6
- 8
- Tankrohling
- 9
- duroplastischer Faserverbundwerkstoff
- 10
- Barriereschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/295323 A1 [0003]
- CN 109968687 A [0004]
