DE3426158C1

DE3426158C1 - Druckbehaelter aus faserverstaerktem Kunststoff und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE3426158C1
Application number: DE3426158A
Authority: DE
Inventors: George 8047 Karlsfeld Sukarie
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1984-07-16
Filing date: 1984-07-16
Publication date: 1985-12-19
Also published as: FR2567608B1; FR2567608A1; JPS6141100A; US4588622A

Abstract

Bei dem beschriebenen Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff mit einem zylindrischen Mittelteil, dessen Wandung eine Verstärkungsschicht aufweist, und mit an die Enden des Mittelteils sich anschließenden Domen, befindet sich die Verstärkungsschicht nicht, wie bisher, auf der Außenseite, sondern auf der Innenseite der Wandung, wobei die Verstärkungsschicht die Übergangsstellen zwischen dem Mittelteil und den Domen überdeckt. Dadurch wird den gegen Drucküberlastung besonders auffälligen Übergangsstellen ein wirksamer Schutz verliehen. - Bei der Herstellung eines solchen Druckbehälters wird zunächst die Verstärkungsschicht und erst dann, über deren Außenseite, die Behälterwandung gebildet.

Description

a) ein mit wärmehärtendem Kunststoff getränkter Kohlenstoffaden nebeneinander in einer oder mehreren Lagen übereinander auf einen zylindrischen Dorn gewickelt,

b) der Kunststoff in der Wärme ausgehärtet und der Dorn aus dem gehärteten Kunststoff-Kohlenstoffaden-Zylinder entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

c) schalenartige Formstücke (7) aus zerbrechlichem Material an die Stirnseiten des Kunststoff-Kohlenstoffaden-Zylinders angedrückt werden, wobei die äußere Wölbung der Formstücke derjenigen der Innenwandung der Dome (3, 4) des zu bildenden Druckbehälters (1) entspricht und deren im Querschnitt ringförmige Ränder (13) Innenbezirke (\3a) aufweisen, welche auf die Zylinderstirnseiten aufsetzbar sind, sowie den Zylinderaußendurchmesser überragende Außenbezirke (13b) aufweisen, welche abgeschrägt sind,

d) in den durch die Außenfläche des Zylinders und die abgeschrägten Außenbezirke (13b) der ringförmigen Formstückränder gebildeten Raum elastomeres Material eingebracht und dieses vulkanisiert wird,

e) die Wandung des Druckbehälters (1) ausgebildet wird, indem ein mit wärmehärtendem Harz getränkter Faden spindelartig nebeneinander und in mehreren Lagen übereinander aufgewikkelt und das Harz gehärtet wird und

f) die schalenartigen Formstücke (7) zerbrochen und deren Bruchstücke aus dem Behälterinneneren durch öffnungen in der Behälterwandung entfernt werden.

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-PS 23 23 708 ist ein Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff mit zylindrischem Mittelteil und an die Enden des Mittelteils sich anschließenden Domen bekannt, wobei die Wandung des zylindrischen Mittelteils zur Erhöhung seiner Druckbeständigkeit mit einer dem Behälterinneren zugewandten Schicht aus mit wärmehärtendem Harz verklebten Kohlenstoffäden versehen ist. Der Druckbehälter setzt sich im wesentlichen aus zwei gleich ausgebildeten Teilen zusammen, wobei jedes Teil seinerseits aus einem zylindrischen Mittelteil und einem an ein Ende des Mittelteils sich anschließendem integrierten Dom besteht. Die zylindrischen Mittelteile beider Teile werden zur Ausbildung eines geschlossenen Druckbehälters koaxial ineinandergesetzt und sind kraftschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise durch Schrumpfen. Dadurch können unterschiedliche Druckbehältervolumina realisiert werden. Die eingangs erwähnte verstärkende Schicht wird also durch den zylindrischen Mittelteil des koaxial inneren Teils ausgebildet. Obgleich der Mittelteil des bekannten Druckbehälters verstärkt ist, können aufgrund der koaxialen Schrumpfbauweise die Übergangsstellen zwischen einem zylindrischen Mittelteil und dem sich anschließenden Dom nicht verstärkt werden. Dies gilt sowohl für das innenliegende als auch das außenliegende Bauteil.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Druckbehälters aus faserverstärktem Kunststoff der eingangs genannten Art, der nicht nur ein verstärktes zylindrisches Mittelteil besitzt, sondern insbesondere auch mit Hilfe einfacher Mittel gerade die Übergangsstellen zwischen dem zylindrischen Mittelteil und den Domen verstärkt, d.h. diejenigen Bereiche, die bei bekannten Druckbehältern aus faserverstärktem Kunststoff leicht zu Bruch führen.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß die verstärkende Schicht rein zylinderförmig ausgebildet und über den gesamten Mittelteil des Druckbehälters angeordnet ist und daß zwischen der Druckbehälterwandung des Mittelteils und der verstärkenden Schicht eine Zwischenschicht aus elastomerem Material vorgesehen ist, die auch die Übergangsstellen zwischen dem Mittelteil und den Domen überdeckt.

Um den bruchgefährdeten Bereich der Übergangsstellen weiter zu verstärken, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, die Außenseite der Wandung des zylindrischen Mittelteils zusätzlich mit einer verstärkenden Schicht aus mit wärmehärtendem Harz verklebten Fasern oder Fäden zu versehen, wie dies an sich aus DE-PS 29 04 908 bekannt ist.

Zweckmäßigerweise läßt sich ein erfindungsgemäßer Druckbehälter dadurch fertigen, daß ein mit wärmehärtendem Kunststoff getränkter Kohlenstoffaden nebeneinander in einer oder mehreren Lagen übereinander auf einen zylindrischen Dorn gewickelt und der Kunststoff in der Wärme ausgehärtet und der Dorn aus dem gehärteten Kunststoff-Kohlenstoffaden-Zylinder entfernt werden, wie dies an sich bekannt ist, wobei erfindungsgemäß schalenartige Formstücke aus zerbrechlichem Material an die Stirnseiten des Kunststoff-Kohlenstoffaden-Zylinders angedrückt werden. Die äußere Wölbung der Formstücke entspricht hierbei derjenigen der Innenwandung der Dome des zu bildenden Druckbehälters, wobei im Querschnitt ringförmige Ränderinnenbezirke, welche auf die Zylinderstirnseiten aufsetzbar sind, wie auch den Zylinderaußendurchmesser überragende Außenbezirke vorgesehen sind, welche abgeschrägt sind. In den durch die Außenfläche des Zylinders

und die abgeschrägten Außenbezirke der ringförmigen Formstückränder gebildeten Raum wird hiernach elastomeres Material eingebracht und dieses vulkanisiert. Im Anschluß wird die Wandung des Druckbehälters dadurch gebildet, daß ein mit wärmehärtendem Harz getränkter Faden spindelartig nebeneinander und in mehreren Lagen übereinander aufgewickelt und das Harz gehärtet wird, worauf die schalenartigen Formstücke zerbrochen und deren Bruchstücke aus dem Behälterinnern durch Öffnungen in der Behälterwandung entfernt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Druckbehälters im Längsschnitt, und

F i g. 2 bis 4 Darstellungen zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung eines solchen Druckbehälters.

Die F i g. 1 zeigt den Längsschnitt eines Druckbehälters 1, wobei die üblicherweise in der Kuppel der Dome 3,4 vorgesehenen Anschlußstutzen für Zu- bzw. Ableitungen der Einfachheit halber fortgelassen sind. Der eigentliche Behälter wird gebildet durch den zylindrischen Mittelteil 2 und die Dome 3, 4. An den Stellen 5 geht der Mittelteil 2 Γη die Dome 3, 4 über, wobei die Stellen 5 keine Nahtstellen von einzelnen aneinanderstoßenden Bauteilen sind, sondern der gesamte Druckbehälter 1, d. h. Mittelteil und Dome, ein einziges, zusammenhängendes Ganzes bildet, wie auch aus den nachstehend zu beschreibenden Herstellungsschritten zu erkennen ist.

Auf der Innenseite des zylindrischen Mittelteils 2 des Behälters 1 befindet sich eine Verstärkungsschicht 6, welche, wie aus F i g. 1 ersichtlich, die Übergangsstellen 5 überdeckt. Dadurch wird ein wirksamer Schutz der Übergangsstellen 5 gegen Druckbelastung geschaffen.

Die verstärkende Schicht besteht aus einer dem Behälterinneren zugewandten Schicht 6a aus mit wärmehärtendem Harz verklebten Kohlenstoffäden und einer zwischen der Schicht 6a und der Wandung 2 eingelagerten Schicht 6b aus elastomerem Material. Die Dicken von Behälterwandungen und Verstärkungsschichten sind in der Zeichnung aus Gründen der besseren Anschaulichkeit übertrieben dargestellt.

Die Kohlefäden der Schicht 6a sind schraubenartig nebeneinander in einer oder mehreren Lagen übereinander gewickelt, was dieser Schicht eine besondere Druckfestigkeit verleiht.

Der Herstellungsgang für den Druckzylinder, welcher unter Bezugnahme auf die F i g. 2 bis 4 beschrieben sei, ist der folgende:

Zunächst wird ein mit wärmehärtendem Kunststoff getränkter Kohlefaden auf einen zylindrischen Dorn gewickelt, und zwar so, daß die einzelnen Fadenwindungen dicht nebeneinander zu liegen kommen. Die Wikkellänge entspricht dabei der Länge des Mittelteils 2 des herzustellenden Druckbehälters. Die Wicklung kann einlagig oder mehrlagig sein, je nach der gewünschten Dicke der herzustellenden Schicht 6a.

Als wärmehärtende Kunststoffe stehen dem Fachmann eine Vielzahl zur Verfügung, und er wird sich bei der Auswahl solcher Kunstharze von dem späteren Verwendungszweck des Druckbehälters leiten lassen, d. h. mit welchen chemischen Substanzen die Schicht 6a im Behälter in Berührung kommen wird. Grundsätzlich jedoch ist jedes wärmehärtende Harz verwendbar, wobei bis etwa 150° C, insbesondere bei etwa 80 bis 100° C härtende Harze bevorzugt sind.

Nun erfolgt das Härten des Harzes bei der für das betreffende Harz angemessenen Temperatur, wonach man den Dorn aus dem aufgewickelten Gebilde entfernt und damit einen gehärteten Kunststoff-Kohlenstoff aden-Zylinder erhält, welcher die Schicht 6a des herzustellenden Druckbehälters darstellt. Die F i g. 2 mag dies verdeutlichen. Dort ist das rechte Ende eines hohlen, zylindrischen Domes 12 einer im Längsschnitt dargestellten Anordnung gezeigt, auf welchem der Kunststoff-Kohlenstoffaden-Zylinder 6a sitzt. Nach Entfernen des Doms liegt dieser Zylinder 6a als erster Druckbehälterbestandteil vor.

Als nächstes stellt man nun schalenartige Formstücke 7 gemäß F i g. 2 aus zerbrechlichem Material her. Diese Formstücke haben — ähnlich wie bei Gießvorgängen — die Aufgabe, dem herzustellenden Gebilde die ihm zugedachte Form zu verleihen und werden nach Erfüllung ihrer Aufgabe zerstört bzw. zerschlagen. Man wählt Formstückmaterial, beispielsweise Gips oder ähnliche verfügbare Materialien, welche, in Pulverform mit Wasser angerührt, zu zerbrechlichen Gebilden aushärten.

Die herzustellenden schalenartigen Formstücke 7 werden so gestaltet, daß deren äußere Wölbung der Innenwandung der Dome des zu bildenden Druckbehälters entspricht und daß deren im Querschnitt ringförmige Ränder 13 Innenbezirke 13a aufweisen, welche auf die Stirnseiten des Kunststoff-Kohlenstoffaden-Zylinders 6a aufgesetzt werden, sowie Außenbezirke 136 aufweisen, welche die Stirnseiten des Zylinders 6a überragen und abgeschrägt sind, wie dies der F i g. 2 zu entnehmen ist.

Die Formstücke 7 drückt man nun rechts und links an die Stirnseiten des Zylinders 6a an, wobei in F i g. 2 nur die rechte Seite dargestellt ist. Zum Andrücken kann man jede hierfür geeignete Spannvorrichtung benutzen. Da nun aber, ohnehin Behälteröffnungen für die Zufuhr und Ableitung von Druckmedium vorgesehen sein müssen, sind die schalenartigen Formstücke 7 an ihren Kuppeln 14 mit Öffnungen versehen, die sich an der Stelle der (späteren) Behälteröffnungen befinden und durch die ein an seinen Enden mit Stellringen 10 versehener Haltedorn 8 gesteckt ist. Durch Festklemmen der Stellringe 10 mittels der Klemmschrauben 11 in einer die schalenartigen Formstücke 7 an die Stirnwände des Zylinders 6a andrückenden Stellung wird dann der Zusammenhalt von Zylinder 6a und Formstücken 7 hergestellt. Vor dem Aufsetzen und Festklemmen der Stellringe 10 ordnet man auf dem Haltedorn 8 noch die für den Behälter vorzusehenden Anschlußstutzen 9, beispielsweise aus Metall wie Aluminium, an. Die Anschlußstutzen 9 weisen an ihrem den Formstücken 7 zugewandten Ende einen kegelförmig gestalteten, erweiterten Teil 9a auf, welcher in einer konischen Erweiterung der Öffnungen der Kuppeln 14 der Formteile 7 ruht und der späteren Verankerung des Stutzens in der zu bildenden Domwandung 3,4 des Druckbehälters dient.

In den durch die Außenwandung des Kunststoff-Kohlenstoffaden-Zylinders 6a und die abgeschrägten Außenbezirke 13Ϊ der angedrückten Formstücke 7 gebildeten Raum bringt man nun elastomeres Material ein, welches man anschließend einem Vulkanisationsprozeß unterwirft. Das entstandene Vulkanisat bildet die Elastomer-Zwischenschicht Sb des herzustellenden Behälters 1.

Als elastomeres Material steht dem Fachmann eine Vielzahl an Erzeugnissen zur Verfügung wie z. B. natürlicher Gummi oder künstliche Kautschukarten wie z. B. Chloropren, und im Prinzip ist hier jedes elastomere

Material verwendbar, welches mit dem in den Druckbehälter einzufüllenden Druckmedium verträglich ist.

Das in diesem Herstellungsstadium vorliegende Gebilde ist in F i g. 3 in Seitenansicht dargestellt und wird umrissen durch die Oberflächen der Elastomerschicht 66 und der schalenartigen Formstücke 7, während die eigentliche äußere Behälterwand 2,3,4 noch fehlt. Diese stellt man nun her, indem man einen mit wärmehärtendem Harz getränkten Faden spindelartig nebeneinander und in mehreren Lagen übereinander aufwickelt und das Harz härtet. Als Fadenmaterial kann man, wie auch zur Bildung der Schicht 6a, Kohlenstoffäden verwenden; man kann aber auch ebenso Fäden aus anderem Material, z. B. Glasfasern einsetzen. Was die Verwendung wärmehärtender Harze betrifft, so gilt im we- is sentlichen das oben in Verbindung mit der Herstellung der Schicht 6a gesagte, wobei die Auswahl verwendbarer Harze sogar deshalb noch größer ist, weil eine Berührung der Harze mit den im Behälter befindlichen Druckmedien nicht erfolgt.

Die Fäden werden möglichst dicht nebeneinander aufgewickelt, und zwar in einer solchen Anzahl an Lagen übereinander, bis sich die gewünschte Dicke der äußeren Behälterwand 2,3,4 ergibt. Unter einem »spindelartigen« Aufwickeln soll hier eine Fadenführung verstanden werden, wie sie sich aus den F i g. 3 und 4 ergibt. Man setzt beispielsweise den getränkten Faden am Fuß des linken Stutzens 9 unten an und führt ihn in Pfeilrichtung über die Oberflächen der Formstücke 7 und der Schicht 6b zum Fuß des rechten Stutzens 9 oben, während man das gesamte Gebilde um die Längsachse des Haltedorns 8 im Uhrzeigersinn mit solcher Geschwindigkeit dreht, daß Faden neben Faden zu liegen kommt. Die Lage der Fäden ergibt sich aus Fig.4, die eine Ansicht der rechten Frontseite von F i g. 3 darstellt. Der Verlauf des ersten Fadens ist hierbei beidseits des Fußes des Stutzens 9 je mit einer Pfeilspitze, der des zweiten je mit zwei Pfeilspitzen und der des dritten je mit drei Pfeilspitzen gekennzeichnet. Der Abstand der Fäden voneinander ist hier der Anschaulichkeit halber vergrößert dargestellt. Es ist erkennbar, daß die Fäden sich am Fuß des Stutzens 9 zusammendrängen und auf diese Weise der Stutzen mit seinem Teil 9a in der sich bildenden Behälterwand 2,3,4 fest verankert wird.

Nach Fertigstellung und Härtung der Behälterwand 2, 3, 4 werden nunmehr die Stellringe 10 gelöst, der Haltedorn 8 entfernt, und es werden die schalenartigen Formstücke 7 aus Gips oder ähnlichem Material zertrümmert. Nach Entfernen der Trümmerstücke aus dem Behälterinneren durch die Öffnungen der Stutzen 9 ist dann der Behälter fertiggestellt.

Beim Behälter werden nicht nur, wie eingangs erwähnt die besonders druckanfälligen Übergangsstellen 5 zwischen dem zylindrischen Mittelteil 2 und den Domen 3, 4 durch eine verstärkende Schutzschicht abgedeckt, sondern die durch diese Schutzschicht erhöhte Druckfestigkeit wird weiterhin noch dadurch gesteigert, daß die Behälterwand 2, 3, 4 des Druckbehälters 1 ein einziges zusammenhängendes Ganzes bildet und nicht aus zusammengeschweißten Mittelteilen und Domteilen besteht. Schließlich wird der Zusammenhalt des Druck-, behälters noch durch das Schrumpfen der Fäden der, spindelartigen Wicklung in einem bisher nie gekannten Ausmaß gesteigert.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff mit zylindrischem Mittelteil und an die Enden des Mittelteils sich anschließenden Dornen, wobei die Wandung des zylindrischen Mittelteils zur Erhöhung seiner Druckbeständigkeit mit einer dem Behälterinneren zugewandten verstärkenden Schicht aus mit wärmehärtendem Harz verklebten Kohlenstoffäden versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkende Schicht (6a) rein zylinderförmig ausgebildet und über den gesamten Mittelteil (2) des Druckbehälters (1) angeordnet ist und daß zwischen der Druckbehälterwandung des Mittelteils und der verstärkenden Schicht eine Zwischenschicht (6b) aus elastomerem Material vorgesehen ist, die auch die Übergangsstellen (5) zwischen dem Mittelteil und den Domen (3,4) überdeckt.

2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der Wandung des zylindrischen Mittelteils (2) zusätzlich mit einer verstärkenden Schicht aus wärmehärtendem Harz verklebten Fasern oder Fäden versehen ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters nach Anspruch 1 oder 2, wobei