DE19601761A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers für hohen Innen- oder Außendruck - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers für hohen Innen- oder Außendruck

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers für hohen Innen- oder Außendruck gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannte Hohlkörper für hohen Innendruck sind in Form von Gasflaschen aus Stahl für technische Gase, wie Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Helium oder dgl., beispielsweise für Schweißzwecke bekannt. Diese Hohlkörper sind für Drücke bis zu über 200 bar ausgelegt. Derartige Hochdruckflaschen müssen in bestimmten Zeitabständen auf Festigkeit geprüft werden, da insbesondere die vorhandenen Schweißnähte eine besondere Gefahrenquelle darstellen. Auch in der Autoindustrie werden Hochdruckbehälter aus Stahl oder Aluminium, beispielsweise zum Aufblasen von Air-Bags oder für die Lagerung von Erdgas (CNG) oder Wasserstoff (H₂) für alternative Antriebe, verwendet. Diese Hochdruckbehälter sind für die erforderlichen Betriebsdrücke von bis zu etwa 600 bar und dem festgelegten Berstdruck von bis zu etwa 700 bar relativ schwer und teuer in der Herstellung.
Mit der vorliegenden Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Hohlkörper für sehr hohe Innen- oder Außendrücke wirtschaftlich, fertigungstechnisch rationell, kostengünstig und mit geringem Gewicht herstellen zu können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die gasdichte Schicht relativ dünn und auch aus Kunststoff ausgeführt und bei geringem Gewicht sehr preiswert hergestellt werden.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Hohlkörpers, teilweise im Schnitt,
Fig. 1a den durch den Kreis der Fig. 1 gekennzeichneten Ausschnitt in vergrößerter Darstellung,
Fig. 2 die Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Verfahrensschemas und die
Fig. 3 und 4 vorteilhafte Prozeßabläufe.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Hohlkörper mit einer Öffnung 2 bezeichnet. Die Öffnung 2 ist mit einer druckfesten Membran 3 gasdicht abgeschlossen.
Der Hohlkörper 1 besteht aus einem inneren gasdichten Vorformling 4, der die nachfolgend aufgeführten Prozesse durchlaufen hat und aus einer diesen einschlußfrei umgebenden Außenschicht 5, die die Druckfestigkeit des Hohlkörpers 1 im wesentlichen bestimmt.
Die Herstellung des Hohlkörpers 1 erfolgt nach den folgenden erfindungsgemäßen Verfahrensschritten:
In einem ersten Verfahrensschritt 1) wird ein Vorformling 6, eine sogenannte Preform, für einen aus diesem herzustellenden Innenbehälter 4 aus Metall oder insbesondere aus einem gasdichten, d. h. gegen Gaspermeation hochresistenten Kunststoff hergestellt. Als Kunststoff eignet sich insbesondere Polyethylen oder Polyethylenterephthalat. Bei Verwendung von Kunststoff besitzt der Vorformling 6 eine Größe von nur etwa 1/3 oder 1/4 der Größe des herzustellenden Innenbehälters 4 oder noch weniger. Der Vorformling 6 besitzt einen Handhabungsteil 7, beispielsweise zum Halten und Manipulieren des Innenbehälters 4 und einen aufzuweitenden Abschnitt 8, der später den eigentlichen Innenbehälter 4 bildet.
Nach dem Erhitzen des Vorformlings 6 auf Verformungstemperatur in einem Verfahrensschritt 2) wird er in einem Verfahrensschritt 3) in eine wenigstens zweiteilige erste Form eingesetzt und durch Anlegen eines hohen Innendrucks auf die Form des Innenbehälters 4 aufgeblasen oder aufgeweitet. Dabei tritt im Kunststoff eine Molekülorientierung ein, durch welche die Festigkeitswerte des Kunststoffs wesentlich erhöht werden.
Der so erhaltene Innenbehälter 4 kann dann in einem wahlweise durchzuführenden Verfahrensschritt 4) - je nach geforderter Belastbarkeit - mit einer Armierung 9 versehen werden, die in Fig. 1 durch die Kreuzschraffur angedeutet ist. Diese Armierung 9 kann aus Metall, beispielsweise aus hochfestem Stahl, Chromstahl, Chrom-Nickel-Stahl, Kupfer, Messing, Bronce oder aus einem anderen hochfesten Metall oder einer Metallegierung, beispielsweise nach Art von Dosen, wie sie für Limonaden oder Bier handelsüblich sind, oder aus einem hochfesten Kunststoff bestehen. Die Armierung 9 wird in Form von Draht, Gewebe, Geflecht, als Wellrohr, Gewebeschlauch, in Spiralenform oder dgl. über den Innenbehälter 4 geschoben oder auf den Innenbehälter 4 aufgewickelt. Bei der Armierung, insbesondere dem Aufwickeln, wird ein hoher Innendruck im Innenbehälter 4 erzeugt, der beim Armieren eine Deformation desselben ganz oder nahezu ganz verhindert.
Anschließend an den Verfahrensschritt 4) oder - bei Fortfall desselben - nach dem Verfahrensschritt 3), wird der Innenbehälter 4 bzw. der armierte Innenbehälter 4 in einem Verfahrensschritt 5) in eine weitere wenigstens zweiteilige Form eingesetzt, die größer ist als der Innenbehälter 4 bzw. der armierte Innenbehälter 4 und darin mit einem hochbelastbaren Kunststoff 10 umspritzt.
Anstelle des Umspritzens kann der ggf. armierte Innenbehälter 4 auch in einen polymerisierbaren und aushärtenden Kunststoff aus insbesondere Epoxid- oder Polyesterharz getaucht werden. Er kann auch mit einem Armiermaterial, das mit einer polymerisierbaren und aushärtenden Kunststoffmasse getränkt bzw. umgeben ist, naßumwickelt werden. In diesen beiden Fällen erfolgt die Polymerisation und Aushärtung während des Drehens des Innenbehälters 4 in waagrechter Lage desselben.
Das Umspritzen oder Naßumwickeln, ggf. auch das Tauchen unter Druck erfolgt bei so hohem Innendruck im Innenbehälter 4, daß dieser durch den Außendruck nicht oder höchstens geringfügig deformiert, insbesondere nicht eingedrückt wird. Vorzugsweise wird ein Kunststoff verwendet, dessen Schwindungsmaß gleich oder größer ist als dasjenige des Vorformlings 6. Geeignet sind Fäden, Gewebe, Geflechte, Filz oder dgl. aus Glas und/oder Kohlenstoff und/oder Mineralien und/oder Kunststoff, insbesondere Aramid.
In einem wahlweise oder bedarfsweise anschließenden Verfahrensschritt 6) wird der umspritzte, getauchte oder naßumwickelt umhüllte und ggf. auch armierte Innenbehälter 4 im noch warmelastischen Zustand oder nach Erhitzen auf eine entsprechende Temperatur in eine weitere, geringfügig größere, wenigstens zweiteilige Form eingebracht und im Innenbehälter 4 ein hoher Innendruck erzeugt. Hierdurch expandiert das Gebilde geringfügig, wobei eine feste Verbindung des umspritzten oder durch Tauchen oder Naßumwickeln aufgebrachten Kunststoffs mit dem Innenbehälter 4 erreicht wird.
Nach Entnahme aus der weiteren, also der Spritzgießform des Verfahrensschrittes 5), oder - bei Anwendung des Verfahrensschrittes 6) - aus der weiteren, dritten Form, wird der so entstandene Hohlkörper 1 im Verfahrensschritt 7) abgekühlt. Die Abkühlung kann je nach verwendetem Kunststoff 10 nach bestimmten Kriterien nach einer bestimmten Kurve gesteuert werden, um eine möglichst hohe Festigkeit des Hohlkörpers 1 zu erzielen und die Festigkeit des Innenbehälters 4 dabei nicht zu verschlechtern.
Anschließend erfolgt im Verfahrensschritt 8) eine Druckkontrolle mit hohem Innendruck. Beispielsweise beträgt der Prüfdruck etwa 120% bis 180% des Betriebsdruckes, der bis zu 600 bar erreichen kann. Der Druck wird zweckmäßig so gewählt, daß er etwa 30% bis 80% kleiner ist als der Berstdruck, der bis zu 700 bar erreichen kann. Der Berstdruck kann z. B. 15% bis 200% größer sein als der Betriebsdruck. Anschließend wird der Hohlkörper 1 im Verfahrensschritt 9) vom Prüfstand genommen, entformt und ausgeworfen.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verfahrensschritt 5) durch folgende Verfahrensschritte ersetzt:
Zunächst wird der aufgeweitete Innenbehälter 4 mit einer Armierung umgeben oder umwickelt, die mit einem Tränkmittel aus einem härtbaren Kunststoff oder - ähnlich den sogenannten bekannten Prepregs - getränkt werden. Zur Armierung werden auch hierbei Fäden, Gewebe, Geflechte, Filz oder dgl. aus Glas-, Kohlenstoff-, Mineral- und/oder Kunststoff-Fasern verwendet. Bei Verwendung von Kunststoff wird vorzugsweise Aramid eingesetzt. Bei der Armierung, insbesondere beim Wickeln, wird wieder ein so hoher Innendruck erzeugt, daß eine Deformation des Innenbehälters 4 verhindert oder nahezu verhindert wird.
In dem anschließenden Verfahrensschritt wird das Tränkmittel durch geeignete Maßnahmen, z. B. durch Erhitzen, polymerisiert und gehärtet bzw. ausgehärtet.
Bevorzugt ist das Schwindungsmaß beim Polymerisieren und Härten bzw. Aushärten und/oder beim Abkühlen gleich oder größer als dasjenige des Materials bzw. bei einem Mehrschichtaufbau der Materialien des Innenbehälters 4. Es kann nämlich vorteilhaft sein, den Innenbehälter 4 aus mehreren Materialschichten herzustellen, wobei die einzelnen Schichten fest miteinander verbunden sind. Als Materialien hierfür eignen sich vorzugsweise Polyethylen (PE) und/oder Polyethylenterephthalat (PETP).
Als Material für die umspritzte Außenschicht 5 oder für das Tränkmittel findet vorzugsweise Epoxid- und/oder Polyesterharz Anwendung.
Die weitere Variante des Tauchens kann vorteilhaft wie folgt durchgeführt werden:
Der armierte Innenbehälter 4 wird mit einem härtbaren Kunststoff imprägniert oder der Innenbehälter 4 oder der armierte Innenbehälter 4 wird in einen härtbaren Kunststoff getaucht und anschließend unter ständigem Drehen des Innenbehälters 4 in seiner waagrechten Lage der Kunststoff polymerisiert und ausgehärtet.
Die Verfahrensschritte 1) bis 9) können in Einzelschritten, oder - wie in Fig. 3 angedeutet - in einem Kreisprozeß oder - wie in Fig. 4 schematisch dargestellt - in einem linearen Prozeßablauf durchgeführt werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers für hohe Innen- oder Außendrücke mit wenigstens einer Öffnung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • 2) Herstellung eines hohlen Vorformlings (6) mit kleineren Abmessungen als die Endform eines daraus herzustellenden Innenbehälters (4), mit einem Handhabungsteil (7) und einem zum Formen des Innenbehälters (4) dienenden Abschnitt (8) aus einem polymeren Werkstoff;
  • 2) Erwärmung des Vorformlings (6) auf eine zur Verformung geeignete Temperatur;
  • 3) Einbringung des erwärmten Vorformlings (6) in eine wenigstens zweiteilige Form mit größeren Abmessungen entsprechend der Endform oder nahezu der Endform des Innenbehälters (4) und Anlegen eines so hohen Innendruckes an den Vorformling (6), daß der Vorformling (6) auf die Abmessungen der Form aufgeweitet wird und anschließendes Entfernen des so geformten Innenbehälters (4);
  • 4) wahlweises Umgeben des Innenbehälters (4) mit einer Armierung (9);
  • 5) Einbringen des ggf. armierten Innenbehälters (4) in eine wenigstens zweigeteilte weitere Form mit größeren Abmessungen als der ggf. armierte Innenbehälter (4), einer ggf. weiteren Armierung durch Umspritzen, Tauchen oder Umwickeln des ggf. armierten Innenbehälters (4) mit einem polymeren Werkstoff bei gleichzeitiger Anwendung eines so hohen Innendrucks im Innenbehälter (4), daß er durch den beim Umspritzen, Tauchen oder Umwickeln auftretenden äußeren Druck nicht oder nur geringfügig deformiert wird;
  • 6) wahlweises Einbringen des durch Umspritzen, Tauchen oder Umwickeln erhaltenen Hohlkörpers (1) in eine größere Abmessungen als dieser aufweisende, wenigstens zweigeteilte weitere Form im noch warmelastischen Zustand oder auf diesen Zustand erwärmten Hohlkörpers (1) und Aufweiten desselben durch Anwendung eines so hohen Innendruckes, daß diese weitere Form ausgefüllt wird;
  • 7) Abkühlen und Aushärten des Hohlkörpers (1);
  • 8) Druckkontrolle des Hohlkörpers (1) mit einem Innendruck, der größer als der Betriebsdruck und kleiner als der zulässige Berstdruck ist;
  • 9) Entformen und Auswerfen des Hohlkörpers (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wahlweise vorgesehene Armierung gemäß Verfahrensschritt 4) vor oder nach dem Verfahrensschritt 2) am Vorformling (6) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung gemäß Verfahrensschritt 4) durch ein vorgefertigtes Armierungselement (9) erfolgt, ggf. bei gleichzeitiger Anwendung eines so hohen Innendrucks im Innenbehälter (4) während des Armierungsvorgangs, daß er durch den beim Armieren entstehenden Druck nicht oder nur geringfügig deformiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung (9) auf den Innenbehälter (4) trocken aufgewickelt wird bei gleichzeitiger Anwendung eines so hohen Innendrucks im Vorformling (6) während des Wickelvorgangs, daß er durch den Wickeldruck nicht oder nur geringfügig deformiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umwickeln gemäß Verfahrensschritt 5) wie folgt durchgeführt wird:
Umwickeln des geweiteten Innenbehälters (4) mit einem mit einem Tränkmittel aus einem härtbarem Kunststoff getränkten Faden, Gewebe, Geflecht, Filz, oder dgl. aus Glas- und/oder Kohlenstoff- und/oder Mineral­ und/oder Kunststoff-Fasern, insbesondere Aramidfasern, bei gleichzeitiger Anwendung eines so hohen Innendrucks im Innenbehälter (4) während des Wickelvorgangs, daß er durch den Wickeldruck nicht oder nur geringfügig deformiert wird und anschließende Erwärmung des so umwickelten Innenbehälters (4) auf eine Temperatur, bei der das Tränkmittel polymerisiert und aushärtet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,daß als Tränkmittel ein Material verwendet wird, dessen Schwindungsmaß beim Abkühlen gleich oder größer ist als dasjenige des Innenbehälters (4).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialauswahl und die Konstruktion sowie die Abmessungen des Hohlkörpers (1) so gewählt werden, daß ein Betriebsdruck von bis zu 600 bar und ein Berstdruck erreicht wird, der etwa 40% bis 200% größer ist als der Betriebsdruck, und daß ein Prüfdruck gewählt wird, der etwa 20% bis 80% größer ist als der Betriebsdruck, jedoch etwa 30% bis 80% kleiner ist als der Berstdruck.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (4) mehrschichtig aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Innenbehälter (4) ein Kunststoff aus oder auf der Basis von wenigstens einem der Kunststoffe Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PETP), Polyethersulfon (PES) oder Polyvenylidenfluorid (PVDV) verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Umhüllung durch Umspritzen, Tauchen oder Umwickeln ein Kunststoff aus oder auf der Basis von Epoxid- oder Polyesterharz verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Armierung gemäß Verfahrensschritt 4) des Anspruchs 1 in der Form eines Gewebes, eines Wellrohres, einer Spirale, eines Geflechts aus hochfestem Metall oder aus Kunststoff verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß nichtrostende Metalle, wie Stahl, Chromstahl, Chromnickelstahl, Kupfer, Messing oder Bronce verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gewebeschlauch über den Innenbehälter (4) geschoben und der so armierte Innenbehälter (4) anschließend umspritzt, getaucht oder umwickelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt 5) durch den folgenden Verfahrensschritt ersetzt wird:
Tauchen des ggf. armierten Innenbehälters (4) in einen härtbaren Kunststoff oder Naßwickeln des ggf. armierten Innenbehälters (4) mit einer mit härtbarem Kunststoff imprägnierten Armierung und Drehen des so gebildeten Hohlkörpers (1) während des Polymerisierungsvorgangs in waagrechter Position.
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