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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks, der mit Fasern verstärkt ist.
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Verwandter Stand der Technik
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Patentliteratur 1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten (FRP) Tanks (nachstehend auch als ein Hochdrucktank bezeichnet). Dieses Herstellungsverfahren führt zunächst einen Beschichtungsschritt mittels Wickeln von Fasern um eine Auskleidung aus, führt dann einen Durchtränkungsschritt mittels Tränken der Fasern mit Harz aus, und ermöglicht es dem Harz anschließend, auszuhärten, mittels Erwärmen der mit dem Harz durchtränkten Fasern.
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Patentliteratur 2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks, das solch ein Resin Transfer Molding (RTM)-Verfahren verwendet. Dieses Herstellungsverfahren platziert eine Vorform, in der eine Faserschicht an einer äußeren Fläche einer Auskleidung gebildet ist, die einen Innenraum eines Hochdrucktanks bildet, in einer Gussform und rotiert die Vorform in einer Umfangsrichtung in der Gussform um die Mittelachse der Vorform als eine Drehmitte, während es Harz von einer Angussöffnung zu der Vorform einspritzt, die in der Gussform platziert ist.
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Literaturstellenl iste
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: JP 2020-085199 A
- Patentliteratur 2: JP 2019-056415 A
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ZUSAMMENFASSUNG
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Das obige Herstellungsverfahren, das das RTM-Verfahren verwendet, führt den Faserwickelschritt und den Harzdurchtränkungsschritt getrennt aus, wenn es den Hochdrucktank herstellt. Da eine große Menge an Fasern um den Hochdrucktank gewickelt wird und eine große Dicke der Faserschicht (des Verbunds) mittels Wickeln von Fasern gebildet wird, kann es allerdings eine lange Zeit benötigen, bis der tiefe Abschnitt (innerste Schicht) der Faserschicht komplett mit Harz durchtränkt ist, was in einer unvollständigen Durchtränkung resultiert.
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Im Hinblick auf das Vorherige stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks bereit, das es erlaubt, dass der tiefe Abschnitt (innerste Schicht) der Faserschicht komplett mit Harz innerhalb einer kurzen Zeit durchtränkt wird.
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Im Hinblick auf das Vorherige, nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung, ist hier ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks offenbart, das beinhaltet: einen Vorformplatzierungsschritt des Platzierens einer Vorform in einer Gussform, wobei die Vorform eine Faserschicht beinhaltet, die mittels Wickeln von Fasern um eine äußere Fläche einer hohlen Auskleidung gebildet ist; einen Haftunghinzufügeschritt des Hinzufügens einer Haftung an die innere Fläche der Gussform, um einen Spalt in der Faserschicht der Vorform zu bilden; und einen Harzeingießschritt des Eingießens von Harz in die Gussform, um die Faserschicht mit Harz zu durchtränken.
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In einigen Ausführungsformen wird in dem Haftunghinzufügeschritt Haftung zu der inneren Fläche der Gussform hinzugefügt, mittels Füllen von Flüssigstickstoffgas in die Gussform, Beschichten der inneren Fläche der Gussform mit Harz oder Aufladen der inneren Fläche der Gussform mit statischer Elektrizität.
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In einigen Ausführungsformen wird in dem Haftunghinzufügeschritt Haftung zu der inneren Fläche der Gussform hinzugefügt und ein Spalt wird in der Faserschicht der Vorform gebildet, mittels Trennen eines Teils der Gussform von der Vorform oder indem ein Teil der Gussform Ultraschallvibrationen relativ zu der Vorform unterzogen wird.
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In einigen Ausführungsformen wird in dem Haftunghinzufügeschritt Haftung zu der inneren Fläche der Gussform hinzugefügt und ein Spalt wird in der Faserschicht der Vorform gebildet, indem ein Teil der Gussform Ultraschallvibrationen relativ zu der Vorform unterzogen wird, während ein Teil der Gussform von der Vorform getrennt wird.
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In einigen Ausführungsformen wird ein Spalt in der Faserschicht der Vorform gebildet, in dem ein Teil der Gussform Ultraschallvibrationen in einer Längsrichtung der Vorform unterzogen wird.
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In einigen Ausrührungsformen wird in dem Haftunghinzufügeschritt ein Spalt in der Faserschicht der Vorform gebildet, mittels Einspritzen von Inertgas in einer Längsrichtung der Vorform.
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In einigen Ausrührungsformen wird in dem Haftunghinzufügeschritt Haftung zu der inneren Fläche der Gussform hinzugefügt und ein Spalt wird in der Faserschicht der Vorform gebildet, indem ein Teil der Gussform Ultraschallschwingungen relativ zu der Vorform unterzogen wird, während ein Teil der Gussform von der Vorform getrennt wird, und mittels Einspritzen von Inertgas in einer Längsrichtung der Vorform.
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In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Gussform eine erste Gussform und eine zweite Gussform; in dem Vorformplatzierungsschritt wird die Vorform zwischen der ersten Gussform und der zweiten Gussform platziert, um einen ersten Spalt zwischen der ersten Gussform und der Vorform und einen zweiten Spalt zwischen der zweiten Gussform und der Vorform zu definieren, wobei der zweite Spalt größer ist als der erste Spalt; in dem Haftunghinzufügeschritt wird Haftung an der Faserschicht der Vorform zu der innere Fläche der Gussform hinzugefügt, wobei die Faserschicht der Vorform an der inneren Fläche der zweiten Gussform haften kann, dadurch dass die zweite Gussform nahe an die Vorform gebracht wird, und während die Faserschicht der Vorform an der inneren Fläche der zweiten Schicht haftet, ist ein Spalt in der Faserschicht der Vorform gebildet, indem die zweite Gussschicht Ultraschallvibrationen relativ zu der Vorform unterzogen wird, während die zweite Gussform von der Vorform getrennt wird; und in dem Harzeingießschritt wird Harz in die Gussform eingegossen, nachdem die zweite Gussform nahe an die Vorform gebracht wird.
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Da ein Harzeingießen/Durchtränken nach der Formung eines Spalts in der Faserschicht (oder zwischen den Laminae davon) mit den Fasern durchgeführt ist, die angehoben sind, kann gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Offenbarung der tiefe Abschnitt (innerste Schicht) der Faserschicht innerhalb einer kurzen Zeit vollständig mit Harz durchtränkt werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine vertikale Schnittsansicht, die eine Herstellvorrichtung für einen Hochdrucktank gemäß einer Ausführungsform zeigt;
- 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks gemäß einer Ausführungsform darstellt;
- 3 ist ein Flussdiagramm, das einen Haftunghinzufügeschritt aus 2 darstellt;
- 4 ist eine vertikale Schnittansicht der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, die einen Vorformplatzierungsschritt und einen Vakuumentgasungsschritt gemäß einer Ausführungsform zeigt;
- 5 ist eine vertikale Schnittansicht der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, die einen Flüssigstickstoffgasfüllschritt des Haftunghinzufügeschritts gemäß einer Ausführungsform zeigt;
- 6 ist eine vertikale Schnittansicht der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, der einen Obere-Gussform-Absenkschritt des Haftunghinzufügeschritts gemäß einer Ausführungsform zeigt;
- 7 ist eine vertikale Schnittansicht der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, die einen Obere-Gussform-Anhebeschritt des Haftunghinzufügeschritts gemäß einer Ausführungsform zeigt;
- 8 ist eine vertikale Schnittansicht der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, die einen Vollständig-Zusammenzieh-Schritt und einen Harzeingießschritt gemäß einer Ausführungsform zeigt; und
- 9 ist eine vertikale Schnittansicht der Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank, die einen Harzeingießbeendigungsschritt und einen Harzaushärteschritt gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Das Nachstehende beschreibt einen Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge, der ein Beispiel eines Tanks ist. Der Tank, den die vorliegende Offenbarung betrifft, ist nicht auf den Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge beschränkt. Die Form, das Material und dergleichen der Auskleidung und die Vorform des Tanks sind auch nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt.
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Das RTM-Verfahren wickelt (windet) Kohlenstofffasern mehrere Male um eine Auskleidung (in mehreren Schichten), um eine Vorform mit einer Faserschicht an der äußeren Fläche der Auskleidung zu bilden, durchtränkt die Faserschicht der Vorform mit Epoxidharz und härtet das Epoxidharz aus, um einen Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge herzustellen, der eine faserverstärkte Harzschicht beinhaltet, die Kohlenstofffasern und Epoxidharz an der äußeren Umfangsfläche der Auskleidung beinhalten. Die Auskleidung ist ein hohler Behälter, der aus Harz hergestellt ist (zum Beispiel Nylonharz), das den Innenraum des Hochdrucktanks definiert.
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In einem solchen Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge sind die Kohlenstofffasern dick laminiert und somit dringt das Harz kaum in die innere Schicht der Kohlenstofffasern ein. Wenn Harz bei hohem Druck in die innere Schicht der Kohlenstofffasern zur Harzdurchtränkung eingegossen wird, wird sich die Qualität und Leistung des Tanks, wie die Verformung des Tanks, verschlechtern. Da der Tank eine zylindrische Form hat, ist es außerdem schwierig, Harz gleichmäßig in den gesamten Tank zu füllen, was die Harzdurchtränkung ungleichmäßig macht. Allerdings tendiert Druck dazu, sich an der Umgebung einer Angussöffnung anzusammeln, sodass sein Angussöffnungsabschnitt unter hohem Druck ist und eine große Druckdifferenz zwischen dem Angussöffnungsabschnitt und dem Harzströmungsendabschnitt (zum Beispiel einem Abschnitt gegenüber dem Angussöffnungsabschnitt) vorhanden ist.
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Das heißt der Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge hat Kohlenstofffasern, die sehr dick laminiert sind (ungefähr das Zehnfache wie bei einer typischen RTM gegossenen Körperkomponente), um genug Festigkeit zu erhalten, was es schwierig macht, die Fasern mit Harz zu durchtränken. Eine einfache Tankdrehung, wie in Patentliteratur 2, übt keinen guten Harzdurchtränkungseffekt auf die innere Schicht der Kohlenstofffasern aus. Außerdem kann das Eingießen von Harz bei hohen Drücken in die innere Schicht der Kohlenstofffasern zur Harzdurchtränkung in einer uneinheitlichen Druckverteilung resultieren und die Qualität und Leistung des Tanks wird sich verschlechtern, wie die Deformation der Harzauskleidung innerhalb des Tanks in einigen Abschnitten, die teilweise unter hohem Druck sind. Da es weniger wahrscheinlich ist, dass das Harz zu dem gegenüberliegenden Abschnitt des Angussabschnitts durch einen schmalen Spalt zwischen der Gussform und dem Tank fließt, ist es außerdem nötig, den Tank innerhalb der Gussform bei hoher Geschwindigkeit zu drehen, wie in Patentliteratur 2 offenbart ist, um das Harz zu dem gesamten Teil des Tanks strömen zu lassen, bevor es aushärtet. Allerdings können solche Hochgeschwindigkeitsdrehungen Schäden an den Kohlenstofffasern verursachen, aufgrund eines geringen Platzes innerhalb der Gussform.
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Darauf(hin) setzt die vorliegende Ausführungsform die nachfolgende Gestaltung ein.
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[Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank]
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1 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank gemäß einer Ausführungsform zeigt.
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Eine Vorform 2 als ein Zwischenkörper eines Hochdrucktanks, der in der vorliegenden Ausführungsform hergestellt werden soll, beinhaltet eine Auskleidung 4 und eine Faserschicht 5, die an der äußeren Fläche der Auskleidung 4 gebildet ist, die mit der Auskleidung 4 integriert werden soll. Die Auskleidung 4 ist ein hohler Harzbehälter, der eine Gasbarriereeigenschaft hat und der den Innenraum des Hochdrucktanks definiert. In einem Beispiel hat die hohle (zum Beispiel schlauchförmige) Auskleidung 4 eine Dicke von ungefähr 0,5 mm bis 1 mm. In einem Beispiel hat die Faserschicht 5 eine Dicke von ungefähr 15 mm bis 30 mm. Die Faserschicht 5 ist mittels Wickeln von Fasern um die äußere Fläche der Auskleidung 4 mehrere Male mittels dem Filamentwickelverfahren gebildet.
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Beispiele der Fasern, die um die Auskleidung 4 gewunden werden, beinhalten Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramidfasern. Die Fasern können durchgehende Fasern beinhalten oder lange Fasern oder kurze Fasern beinhalten. Wie später beschrieben wird, werden Fasern (die Schicht), die um die Auskleidung 4 gewunden sind, mit Harz durchtränkt und ausgehärtet, um eine faserverstärkte Harzschicht zu bilden, die die Umfangsfläche der Auskleidung 4 ummantelt. Beispiele des Harzes beinhalten wärmeaushärtende Harze, wie Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze und Polyamidharze und thermoplastische Harze, wie Polyethylenharze und Polyesterharze.
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Eine Herstellungsvorrichtung 1 ist gestaltet, um einen Hochdrucktank mittels dem Resin Transfer Molding (RTM)-Verfahren herzustellen, das die Faserschicht 5 der Vorform 2 mit einem Harz 6 (das Bezugszeichen ist in 8 dargestellt) durchtränkt und das durchtränkte Harz 6 ausgehärtet.
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In einem Beispiel beinhaltet die Herstellungsvorrichtung 1 eine Gussform 10, die aus einer Mehrzahl von Gussformen zusammengestellt ist, wie einer unteren Gussform 11, als eine feste Gussform, und einer oberen Gussform 12, als eine bewegende Gussform. Ein Schließen von dieser unteren Gussform 11 und der oberen Gussform 12 (dies kann als Gussformklemmen bezeichnet werden) definiert einen Hohlraum für die faserverstärkte Harzschicht. Um die Vorform 2, die laminierte Fasern in der Gussform 10 beinhaltet, zu platzieren, ist der Hohlraum der Gussform 10 mittels der Toleranz der Vorform 2 beispielsweise größer gemacht.
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Es sei angemerkt, dass dieses Beispiel die untere Gussform 11 als eine feste Gussform beinhaltet, und die obere Gussform 12 als eine bewegende Gussform (eine Gussform, die relativ zu der festen Gussform beweglich ist) beinhaltet. In einem anderen Beispiel kann die obere Gussform 12 eine feste Gussform sein und die untere Gussform 11 kann eine bewegende Gussform sein, oder sowohl die untere Gussform 11 als auch die obere Gussform 12 können beweglich sein. Die Gussform 10 in diesem Beispiel beinhaltet zwei Teile, die untere Gussform 11 und die oberen Gussform 12, die auch drei oder mehr Teile sein können.
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In der Gussform 10 ist die Vorform 2 mittels einer hohlen Welle 25 gestützt, die entlang der Achse der Auskleidung 4 angeordnet ist. Das heißt die Welle 25 bildet einen Stützmechanismus, der die Vorform 2 in der Gussform 10 (in den Hohlraum) stützt.
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Ein Vakuumentgasungsrohr 15 ist in die Gussform 10 eingebunden (in der unteren Gussform 11 in dem dargestellten Beispiel). Das Vakuumentgasungsrohr 15 ist mit einer Vakuumpumpe 50 verbunden. Die Vakuumpumpe 50 wird angetrieben, um die Gussform 10 (den Hohlraum) mittels des Vakuumentgasungsrohrs 15 einer Vakuumentgasung zu unterziehen (zu entleeren).
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Ein Harzeingießrohr 16, das eine Angussöffnung (Harzeinlass) 14 bildet, die zu dem Hohlraum geöffnet ist, ist in der Gussform 10 (in der oberen Gussform 12 in dem dargestellten Beispiel) eingebunden. Die Angussöffnung 14 ist an einer Position angeordnet, die einem mittleren Abschnitt (in der axialen Richtung) der Vorform 2 in diesem Beispiel zugewandt ist. Das Harzeingießrohr 16 ist mit einem Harzinjektor 60 verbunden. Der Harzinjektor 60 kann das Harz in die Gussform 10 (den Hohlraum) mittels der Angussöffnung 14 durch das Harzeingießrohr 16 eingießen (zuführen). In einem Beispiel ist das Harz 6 ein Zweikomponenten-wärmeaushärtendes Epoxidharz, das aus einem Basisharz und einem Aushärtwirkstoff zusammengesetzt ist. Der Harzinjektor 60 beinhaltet eine Druckvorrichtung 66, ein Harzreservoir 64, das das Harz 6 speichert, das eine Mischung aus dem Basisharz und dem Aushärtwirkstoff ist, und ein Ventil 62, zur Zuführung des Harzes 6 zu dem Harzeingießrohr 16.
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In diesem Beispiel ist ein Flüssigstickstoffgaszuführrohr 18 in die Gussform 10 (in der oberen Gussform 12 in dem dargestellten Beispiel) eingebunden. Das Flüssigstickstoffgaszuführrohr 18 ist mit einer Flüssigstickstoffgaszuführvorrichtung 80 verbunden, die einen Flüssigstickstoffgastank 84 beinhaltet, der mit einem Drucksteuerventil 82 versehen ist. Die Flüssigstickstoffgaszuführvorrichtung 80 kann das Flüssigstickstoffgas mit Druck beaufschlagen und Flüssigstickstoffgas in die Gussform 10 (zum Beispiel außerhalb der Vorform 2, die in der Gussform 10 platziert ist) durch das Flüssigstickstoffgaszuführrohr 18 füllen.
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Die Herstellungsvorrichtung 1 beinhaltet einen Übertragungsmechanismus 20, um die Vorform 2 zu der vorgegebenen Position zu übertragen; einen Antriebsmechanismus 30, um die Gussform 10 (insbesondere die obere Gussform 12) in der Richtung, um die Gussform 10 zu öffnen und zu schließen (vertikale Richtung) oder in der axialen Richtung (seitliche Richtung) anzutreiben; eine Temperatursteuereinheit 40, um die Temperatur der Gussform 10 (der unteren Gussform 11, der oberen Gussform 12) zu steuern; und eine Steuervorrichtung 90, als eine Steuereinheit, um den Betriebszustand der gesamten Herstellungsvorrichtung 1 zu steuern (insbesondere den Betriebszustand des Übertragungsmechanismus 20, des Antriebsmechanismus 30, der Temperatursteuereinheit 40, der Vakuumpumpe 50, der Druckvorrichtung 66 und des Ventils 62 des Harzinjektors 60 und des Drucksteuerventils 62 der Flüssigstickstoffgaszuführvorrichtung 80).
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[Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks]
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdrucktanks gemäß einer Ausführungsform darstellt. 3 ist ein Flussdiagramm, das einen Haftunghinzufügeschritt aus 2 darstellt. 4 bis 9 sind vertikale Schnittansichten, die jeweils einen Vorformplatzierungsschritt und einen Vakuumentgasungsschritt darstellen; einen Flüssigstickstoffgasfüllschritt des Haftunghinzufügeschritts; einen Obere-Gussform-Absenkschritt des Haftunghinzufügeschritts; einen Obere-Gussform-Anhebeschritt des Haftunghinzufügeschritts; einen Vollständig-Zusammenzieh-Schritt und einen Harzeingießschritt; und einen Harzeingießbeendigungsschritt und einen Harzaushärteschritt.
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(Gussformvorbereitungsschritt: S201)
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Zunächst bereitet das Verfahren die Gussform 10 vor, die die untere Gussform 11 und die obere Gussform 12 beinhaltet, die den zuvor beschriebenen Aufbau haben.
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(Vorformvorbereitungsschritt: S202)
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Wie zuvor beschrieben wurde, bereitet das Verfahren die Vorform 2 vor, die die Faserschicht 5 beinhaltet, die mittels Winkel (Winden) von Fasern um die äußere Fläche der hohlen Auskleidung 4 gebildet ist.
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(Gussformtemperaturerhaltungsschritt: S203)
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Anschließend steuert die Steuervorrichtung 90 die Temperatursteuereinheit 40, um die Gussform 10 (die untere Gussform 11, die obere Gussform 12) auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten. Wenn das Harz 6 ein temperaturaushärtendes Harz ist, ist diese vorgegebene Temperatur gleich oder höher als die Aushärtetemperatur des Harzes 6.
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Es sei angemerkt, dass hierin das Verfahren die Gussform 10 zu Beginn bei einer Temperatur gleich oder höher als die Aushärtetemperatur des Harzes 6 hält. In einem anderen Beispiel kann das Verfahren die Gussform 10 zu Beginn bei einer Temperatur unter der Aushärtetemperatur des Harzes 6 halten und dann zu einem geeigneten Zeitpunkt in einem Schritt, der später beschrieben wird, (zum Beispiel nachdem das Harz 6 eingegossen ist und der Verbund beispielsweise vollständig mit dem Harz 6 durchtränkt ist), die Gussform 10 bei einer Temperatur gleich oder höher als die Aushärtetemperatur des Harzes 6 halten.
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(Vorformplatzierungsschritt: S204)
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Nachfolgend steuert die Steuervorrichtung 90 den Übertragungsmechanismus 20 und den Antriebsmechanismus 30, um die Vorform 2 in der Gussform 10 zu platzieren (d. h. zwischen der unteren Gussform 11 und der oberen Gussform 12) (1, 4). Insbesondere während einer Öffnung der oberen Gussform 12 platziert der Übertragungsmechanismus 20 die Vorform 2 an der unteren Gussform 11 unter der Steuerung der Steuervorrichtung 90. Zu diesem Zeitpunkt stützt die Welle 25 die Vorform 2. Danach beginnt der Antriebsmechanismus 30 ein Gussformklemmen unter der Steuerung der Steuervorrichtung 90 und zieht die obere Gussform 12 vorübergehend zu(sammen). Ein vorübergehendes Zusammenziehen ist ein Zwischenzustand zwischen dem Zustand, in dem die obere Gussform 12 offen ist, und dem vollständigen Zusammenziehzustand, und die untere Gussform 11 und die obere Gussform 12 haben einen Spalt zwischen sich in dem vorübergehenden Zusammenziehzustand. Wie in 4 dargestellt, bewegt sich die obere Gussform 12 in eine Position, die einen Spalt (zweiter Spalt) von einigen Millimetern mit der Vorform 2 hat. Dieser Spalt (zweiter Spalt) zwischen der oberen Gussform 12 und der Vorform 2 ist größer als ein Spalt (erster Spalt) zwischen der unteren Gussform 12 und der Vorform 2.
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(Vakuumentgasungsschritt: S205)
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Anschließend steuert die Steuervorrichtung 90 die Vakuumpumpe 50, während dem zuvor genannten vorübergehenden Zusammenziehzustand (zum Beispiel vor Vervollständigung des Gussformklemmens), um die Gussform 10 einer Vakuumentgasung zu unterziehen (4).
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(Haftunghinzufügeschritt: S206)
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Nach dem Beenden (oder der Vervollständigung) der zuvor genannten Vakuumentgasung fügt das Verfahren der inneren Fläche (Hohlraumfläche) der Gussform 10 eine Haftung an der Faserschicht 5 (oder den Fasern davon) der Vorform 2 hinzu und bildet einen Spalt in der Faserschicht 5 (oder zwischen den Laminae davon) unter Verwendung solcher Haftung. Wie er hierin verwendet wird, beinhaltet der Ausdruck „bildet einen Spalt in der Faserschicht 5“ ein Ausdehnen eines Spalts in der Faserschicht 5.
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In diesem Beispiel beinhaltet der zuvor genannte Haftunghinzufügeschritt (S206) einen Flüssigstickstoffgasfüllschritt (S2061), einen Oberen-Gussform-Absenkschritt (S2062) und einen Oberen-Gussform-Anhebeschritt (S2063), wie in 3 dargestellt.
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(Flüssigstickstoffgasfüllschritt: S2601)
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In dem zuvor beschriebenen Haftunghinzufügeschritt (S206) öffnet die Steuervorrichtung 90 zunächst das Drucksteuerventil 82 der Flüssigstickstoffgaszuführvorrichtung 80, um das Flüssigstickstoffgas zu verdichten und von dem Flüssigstickstoffgastank 84 in die Gussform 10 zu füllen (5). Da die obere Gussform 12 vorübergehend zusammengezogen ist, wird das Flüssigstickstoffgas in den Spalt (zweiten Spalt) zwischen der oberen Gussform 12 und der Vorform 2 (oder der oberen Fläche davon) eingespritzt (verdichtet und gefüllt). Dementsprechend fügt das Verfahren eine Haftung an der Faserschicht 5 der Vorform 2 zu der inneren Fläche der Gussform 10 hinzu.
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(Obere-Gussform-Absenkschritt: S2062)
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Anschließend steuert die Steuervorrichtung 90 den Antriebsmechanismus 30, um die obere Gussform 12 zu dem unteren Ende abzusenken (zum Beispiel es nahe an die Vorform 2 zu bringen) und die Gussform 10 (die obere Gussform 12 und die untere Gussform 11) zu schließen (6). Dementsprechend bringt das Verfahren die Faserschicht 5 der Vorform 2 in Kontakt mit der inneren Fläche der Gussform 10 und ermöglicht es ihr, an der inneren Fläche der Gussform 10 anzuhaften.
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(Obere-Gussform-Anhebeschritt: S2063)
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Nachfolgend steuert die Steuervorrichtung 90 den Antriebsmechanismus 30, um die obere Gussform 12 anzuheben (zum Beispiel bis sie vorübergehend zu(sammen)gezogen ist) (zum Beispiel um sie von der Vorform 2 zu trennen), während die Faserschicht 5 der Vorform 2 an der inneren Fläche der Gussform 10 anhaftet. Zu diesem Zeitpunkt steuert die Steuervorrichtung 90 den Antriebsmechanismus 30, um die obere Gussform 12 Ultraschallvibrationen in der axialen Richtung zu unterziehen (zum Beispiel in der Längsrichtung der Vorform 2) (7). Dementsprechend bildet das Verfahren einen Spalt in der Faserschicht 5 (oder zwischen den Laminae davon) der Vorform 2, die an der inneren Fläche der Gussform 10 haftet.
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Es sei angemerkt, dass zu diesem Zeitpunkt, zusätzlich zu oder anstatt der Längsrichtung der Vorform 2, das Verfahren die obere Gussform 12 Ultraschallvibrationen in der Querrichtung der Vorform 2 unterziehen kann (zum Beispiel in der Laminierrichtung und der Dickenrichtung der Faserschicht).
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Außerdem kann das Verfahren auch ein Inertgaszuführrohr (nicht dargestellt) bereitstellen, um einen Spalt in der Faserschicht 5 (oder zwischen den Laminae davon) der Vorform 2 zu bilden (auszudehnen), die an der inneren Fläche der Gussform 10 haftet, mittels Einspritzen von Inertgas, wie Stickstoffgas, in der Längsrichtung der Vorform 2.
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Es sei angemerkt, dass die Faserschicht 5 der Vorform 2 nicht haftend an der inneren Fläche der Gussform 10 gehalten werden muss, bis die obere Gussform 12 vollständig angehoben ist. So lange das Verfahren einen Spalt in der Faserschicht 5 der Vorform 2 bilden kann (oder zwischen den Laminae davon), mit den Fasern, die angehoben werden, muss die Faserschicht 5 der Vorform 2 lediglich an der inneren Schicht der Gussform 10 haftend sein, bis die obere Gussform 12 zu einer vorgegebenen Position angehoben ist (mit anderen Worten kann die Faserschicht 5 der Vorform 2 von der inneren Fläche der Gussform 10 abgezogen werden, wenn die obere Gussform 12 bis zu einer vorgegebenen Position angehoben ist).
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(Vollständig-Zusammenzieh-Schritt: S207)
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Nachfolgend steuert die Steuervorrichtung 90 den Antriebsmechanismus 30 so, um die obere Gussform 12 zu dem unteren Ende abzusenken, um ein Schließen der oberen Gussform 12 abzuschließen (zum Beispiel, um sie nahe an die Vorform 2 zu bringen) und die obere Gussform 12 und die untere Gussform 11 vollständig zu schließen (vollständig zusammenzuziehen) (8).
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(Harzeingießschritt: S208)
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Danach spritzt/gießt das Verfahren das Harz in die Gussform 10 (8). Insbesondere öffnet die Steuervorrichtung 90 das Ventil 62 und beaufschlagt das Harz 6 mit Druck, das in dem Harzreservoir 64 gespeichert ist, mittels der Druckvorrichtung 66. Das bewirkt, dass das (unausgehärtete) Harz 6 durch das Harzeingießrohr 16 strömt, das in der oberen Gussform 12 vorgesehen ist, sodass das Harz 6 von der Angussöffnung (in dem dargestellten Beispiel der Angussöffnung 14, die an dem mittleren Abschnitt der Vorform 2 vorgesehen ist) zu der Vorform 2 eingespritzt/eingegossen wird, und der Verbund der Faserschicht 5 der Vorform 2 wird mit Harz 6 getränkt.
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(Harzeingießbeendigungsschritt: S209)
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Nachdem der Verbund der Faserschicht 5 der Vorform 2 vollständig mit dem Harz 6 getränkt ist und das Aushärten und die Wärmeerzeugung des Harzes 6 endet, beendet das Verfahren das Eingießen des Harzes 6 (9).
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(Harzaushärteschritt: S210)
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Nachdem das Eingießen des Harzes 6 beendet wird, wie zuvor angegeben, härtet das Verfahren das Harz 6 aus (9).
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(Entformungsschritt: S211)
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Nachdem das Harz 6 ausgehärtet ist, steuert die Steuervorrichtung 90 den Antriebsmechanismus 30, um die obere Gussform 12 zu öffnen. Wenn das Aushärten des Harzes 6 endet, wird ein Hochdrucktank 8 erhalten, der die faserverstärkte Harzschicht beinhaltet, die an der äußeren Umfangsfläche der Auskleidung gebildet ist.
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Es sei angemerkt, dass das Verfahren zum Hinzufügen der Haftung zu der inneren Fläche der Gussform 10 in dem Haftunghinzufügeschritt (S206) nicht auf das zuvor beschriebene Verfahren beschränkt ist. Zum Beispiel kann das Verfahren anstatt des Flüssigstickstoffgases Haftung zu der inneren Fläche der Gussform 10 hinzufügen, mittels Beschichten der inneren Fläche der Gussform 10 mit einem Harz (zum Beispiel Epoxidharz), das von der gleichen Art ist wie das Harz 6, oder mittels Aufladen der inneren Fläche der Gussform 10 mit statischer Elektrizität. Wenn das Verfahren Haftung mittels Aufladen der inneren Fläche der Gussform 10 mit statischer Elektrizität hinzufügt, können die Schritte des Absenkens und Anhebens der oberen Gussform 12 weggelassen werden.
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Das zuvor beschriebene Verfahren beaufschlagt die Gussform 10 mit Druck und befüllt sie mit Flüssigstickstoffgas in dem vorübergehenden Zusammenziehzustand, in dem ein Spalt (zweiter Spalt) von mehreren mm zwischen der oberen Gussform 12 und der Vorform 2 gebildet ist. Dies hilft dabei, das Flüssigstickstoffgas im Wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Vorform 2 zuzuführen (oder der oberen Fläche davon). Solange das Verfahren das Flüssigstickstoffgas über die (gesamte) Vorform 2 zuführen kann (oder der Oberfläche davon), beispielsweise mittels Einstellen des Drucks des Flüssigstickstoffgases, besteht allerdings nicht die Notwendigkeit, im Vorhinein einen Spalt (zweiten Spalt) von mehreren mm zwischen der oberen Gussform 12 und der Vorform 2 bereitzustellen. Beispielsweise kann das Verfahren die Gussform 10 mit Druck beaufschlagen und sie mit Flüssigstickstoffgas befüllen, in einem Zustand, in dem die Gussform 10 (die untere Gussform 11 und die obere Gussform 12) geschlossen ist.
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Wenn ein Hochdrucktank für Brennstoffzellenfahrzeuge mittels der RTM-Durchtränktechnologie hergestellt wird, ist es, wie zuvor beschrieben wurde, schwierig, ein Aufladen, ein Durchtränken und ein Aushärten des Epoxidharzes vollständig an dem dick laminierten, großen Tank (mit dick gewundenen Kohlenstofffasern) auszuführen, während ein Harzdruck gleichmäßig aufgebracht wird und eine Reduktion der Leistungsfähigkeit und Verschlechterung der Tankleistung kann auftreten. Da die Kohlenstofffasern dick an dem Tank laminiert sind, kann das Harz außerdem schwer in die innerste Schicht des Verbunds eindringen, außer das Harz wird bei hohem Druck eingefüllt. Dies kann einen übermäßig hohen Druck in dem Abschnitt unmittelbar unter dem Angussanschluss und dergleichen verursachen, was in kritischen Qualitätsproblemen resultiert, die zu einer Reduktion der Leistungsfähigkeit und einer Verschlechterung der Tankleistung führt, wie einer Verformung der Harzauskleidung, innerhalb des Tanks, oder einer Falschausrichtung der Fasern.
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Die vorliegende Ausführungsform ist auf eine wesentliche Verbesserung der Harzfließfähigkeit in einem Verbundtank gerichtet und fügt der Fläche der Gussform eine Haftung hinzu (Flüssigstickstoffgasfüllung, Epoxidharzaufbringung, statische Elektrizität oder dergleichen) nach dem Gussformschließen und vor dem Harzeingießen, sodass die Kohlenstofffasern, die um die Vorform 2 gewunden sind, an der Fläche der Gussform haften können und in der Laminierrichtung angehoben sind, um einen Spalt zwischen den Lamina zu formen. Zu dem gleichen Zeitpunkt bildet die vorliegende Ausführungsform einen Spalt zwischen den Laminae, indem die obere Gussform 12 Ultraschallvibrationen unterzogen wird (in einer Richtung senkrecht oder parallel zu der Längsrichtung des Tanks (der Vorform 2)) und mittels Einspritzen von Inertgas, wie Stickstoffgas, in der Längsrichtung des Tanks (der Vorform 2).
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Da es die folgende Ausführungsform den Kohlenstofffasern ermöglicht, an der Fläche der Gussform anzuhaften, um einen Spalt zu bilden, bevor das Harz eingegossen wird, ist es wahrscheinlich, dass die innere Schicht der Faserschicht mit dem Harz durchtränkt wird. Da die vorliegende Ausführungsform einen Spalt zwischen den Laminae bildet, indem die obere Gussform 12 Ultraschallvibrationen unterzogen wird (in einer Richtung senkrecht oder parallel zu der Längsrichtung des Tanks (der Vorform 2)) und mittels Einspritzen von Inertgas, wie Stickstoffgas, in der Längsrichtung des Tanks (der Vorform 2), ist es wahrscheinlicher, dass die innere Schicht der Faserschicht mit dem Harz durchtränkt wird. Wenn die obere Gussform 12 Ultraschallvibrationen unterzogen wird, helfen Vibrationen in einer Richtung parallel zu der Längsrichtung des Tanks eine Dichteigenschaft der RTM-Gussform leichter sicherzustellen, als verglichen zu Vibrationen in einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Tanks.
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Da die vorliegende Ausführungsform den gesamten Tank mit Epoxidharz gleichmäßig und bei einem niedrigen Druck sowohl in der Verbunderstreckungsrichtung (einer Richtung parallel zu der Längsrichtung des Tanks) und der Dickenrichtung (einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Tanks) durchtränken kann, ist es daher in dem Epoxidharzdurchtränken mittels der RTM-Durchtränktechnologie möglich, eine verbesserte Leistung und eine zuverlässige Qualität des Hochdrucktanks zu erreichen. Das heißt, da die vorliegende Ausführungsform eine niedrige Druckbeaufschlagung und eine gleichmäßige Harzdurchtränkung während des Epoxidharzeingießens erreichen kann, ist es möglich, einen Hochdrucktank zu erhalten, der eine verbesserte Harzdurchtränkeigenschaft, eine verbesserte Tankleistung und eine hervorragende Oberflächenqualität erreichen kann. Dies ermöglicht auch eine Hochgeschwindigkeitsharzbefüllung, die wesentlich kürzere Gusszyklen des Hochdrucktanks erreichen kann.
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Da das Eingießen/Durchtränken des Harzes 6 durchgeführt wird, nachdem ein Spalt in der Faserschicht 5 (oder zwischen den Laminae davon) mit den Fasern gebildet ist, die angehoben sind, kann, wie zuvor beschrieben, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, der tiefe Abschnitt (die innerste Schicht) der Faserschicht 5 vollständig mit dem Harz 6 innerhalb einer kurzen Zeit durchtränkt werden.
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Obwohl die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zuvor ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben wurde, sind die konkreten Ausgestaltungen nicht darauf beschränkt und jede Gestaltungsänderung, die in das Wesen und den Gültigkeitsbereich der vorliegenden Offenbarung fällt, ist von dem Gültigkeitsbereich der vorliegenden Offenbarung umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Herstellungsvorrichtung für einen Hochdrucktank (Tank)
- 2
- Vorform
- 4
- Auskleidung
- 5
- Faserschicht
- 6
- Harz
- 8
- Hochdrucktank (Tank)
- 10
- Gussform
- 11
- untere Gussform (erste Gussform)
- 12
- obere Gussform (zweite Gussform)
- 14
- Eingussöffnung (Harzeinlass)
- 15
- Vakuumentgasungsrohr
- 16
- Harzeingießrohr
- 18
- Flüssigstickstoffgaszuführrohr
- 20
- Übertragungsmechanismus
- 25
- Welle
- 30
- Antriebsmechanismus
- 40
- Temperatursteuereinheit
- 50
- Vakuumpumpe
- 60
- Harzinjektor
- 80
- Flüssigstickstoffgaszuführvorrichtung
- 90
- Steuervorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2020085199 A [0003]
- JP 2019056415 A [0003]
