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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von Druckbehältern und
insbesondere verbesserte Verfahren zum Herstellen von Druckbehältern aus
Verbundwerkstoff und Druckbehälter
aus Verbundwerkstoff, die gemäß den verbesserten
Verfahren hergestellt werden.
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Hintergrund
der Erfindung
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Druckbehälter, wie
Heißwassererhitzer,
Boiler, Tanks mit kompressiertem Gas und dergleichen, sind traditionell
aus Metall, wie Stahl, hergestellt worden. Jedoch ist in den letzten
Jahren die Verwendung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoff
vorherrschender geworden. Diese Druckbehälter aus Verbundwerkstoff sind
typischerweise hergestellt worden durch ein Filamentwickelverfahren,
welches wärmehärtbare Kunststoffharze,
wie Epoxide, Polyester und Vinylester, verwendet. Kurz, diese Technologie ist
das Verfahren des Imprägnierens
trockener Fasern, wie Glasfasersträngen, mit katalysiertem Harz vor
der Auftragung auf einen Dorn. Vorimprägnierte Fasern („Prepreg") können ebenfalls
verwendet werden. Der Dorn und der aufgetragene Verbundwerkstoff
werden dann gehärtet,
bei Umgebungstemperatur oder mit Wärme, um das Laminat einzustellen
und ein hartes Harz und ein Faserlaminatgehäuse zu erhalten. Dieses Gehäuse wird
entweder von dem Dorn entfernt oder der Dorn selbst wird Teil des
fertigen Produkts. Obwohl die besondere Produktauftragung die exakte
Funktion des Harzes bestimmt, dient es in allen Fällen als
die Trägerstruktur,
um die kontinuierlichen Faserstränge
in Position zu halten.
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Die
wärmehärtbaren
Harze, die in diesen Verfahren verwendet werden, können als
vom Typ des Niedertemperaturerzeugnisses kategorisiert werden, welche
gekennzeichnet werden durch ihre verhältnismäßig einfache Verwendung, niedrige
Kosten und Verfügbarkeit.
Diese Harze haben lange dazu gedient, die Leistungserfordernisse
einer großen
Breite von Druckbehälterprodukten
zu erfüllen. Jedoch
weisen diese Harzsysteme gut bekannte Nachteile auf, wie ihre begrenzten
Temperaturpotentiale, unzufriedenstellende Endproduktästhetiken, Mangel
an ausgedehnter Beständigkeit,
Mangel an Geeignetheit zum Recyceln und zum Herstellen verwandter
Produkte, wie Ausfallzeit aufgrund einer Reinigung, und Materialhandhabungskosten.
Ferner gibt es Umweltbedenken, die aus einer Arbeiterexposition
gegenüber
Dampf, Overspray, Emissionen, etc. hervorgehen, auf die während der
Herstellungsverfahren getroffen wird. Einige entwickelte wärmehärtbare Harze
verbessern die Leistung durch höheres Temperaturpotential,
jedoch sind mit diesen nicht annehmbare Materialkosten verbunden.
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Aufgrund
der verwendeten Materialien und Verfahren weisen Druckbehälter aus
Verbundwerkstoff, die gemäß dem Stand
der Technik hergestellt werden, zusätzlich inhärent Rest- und beträchtliche Innenspannungen
auf, welche, zusammen mit bestimmten Temperaturempfindlichkeitsinkompatibilitäten der
Materialien, die Druck- und Temperaturbereiche begrenzen, in denen
die Druckbehälter
Anwendung finden.
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DE 42 15 756 A offenbart
ein Verfahren zum Herstellen von Hohlkörpern, wie Druckflaschen, die aus
zwei Schichten bestehen. Die erste Schicht wird durch Extrusion,
Spritzguß oder
Blasformen gebildet, und die zweite Schicht wird um die erste Schicht
mit einem Garn aus thermoplastischen Fasern gewickelt. Die Wicklung
wird über
den Schmelzpunkt des thermoplastischen Fasermaterials erwärmt, so
daß die thermoplastischen
Fasern geschmolzen werden und sich in der zweiten Schicht konsolidieren
(zusammenfließen),
und, nach dem Erwärmen,
wird der Behälter
dann in einer Form angeordnet.
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Somit
haben gesteigerte Leistungsanforderungen, Umweltprobleme, Herstellungsprobleme
und neue Marktmöglichkeiten
die Begrenzungen der Verwendung von wärmehärtbaren Harzen bei der Herstellung
von Druckbehältern
aus Verbundwerkstoff hervorgehoben. Druckbehälter aus Verbundwerkstoff mit
höheren
Temperatur- und Druckpotentialen, verbesserter Erscheinung und größerer Beständigkeit und
Schlagzähigkeitseigenschaften,
und welche bezüglich
der Herstellung umweltfreundlicher sind, kostengünstiger sind und weniger Herstellungsprobleme aufwerfen,
sind demzufolge hoch wünschenswert.
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Daher
wird es von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden, daß ein Verfahren
zum Herstellen von Druckbehältern
aus Verbundwerkstoff, welches eine Verbesserung in all diesen Bereichen
erzielt, eine fundamental andere Philosophie erfordert. Es ist die
Bereitstellung eines solchen fundamental verbesserten Verfahrens
und von Druckbehältern, die
durch ein solches Verfahren hergestellt werden, auf die die vorliegende
Erfindung gerichtet ist und durch welche die folgenden Eigenschaften
erhalten werden: Verbesserter Kontakt bei höheren Temperaturen zwischen
der Faser und dem Harz, bessere Kontrolle über Verstärkungs/Matrix-Verhältnis, Altmaterialien,
welche effektiv recycliert werden können, verminderte Regulierungsprobleme,
die durch Emissionen bewirkt werden, höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten
für die
Wicklungs- (oder einen anderen Oberlagemodus) und Härtungsschritte,
potentielle Arbeitsersparnisse aufgrund geringerer Materialhandhabung,
Arbeitsflächenreduktion,
Automationsanpassungsfähigkeit,
eine sicherere Umgebung für
Arbeitnehmer, eine Vereinfachung von Verarbeitungsstraßen und
des Materialvorrats und der -handhabung, schnellere Wechselzeiten,
schnellere Anlaufperioden, geringere Trainingskosten, geringere Energiekosten,
etc. Daher sind Druckbehälter,
die gemäß dem Verfahren
hergestellt werden, im wesentlichen spannungsfrei und zeigen eine
verbesserte Leistung über
die Druckbehälter
aus dem Stand der Technik, indem sie, unter anderem, höheren Drücken und
Temperaturen standhalten können,
schlagzäher
sind und ebenfalls ein beträchtlich
besseres Finish aufweisen.
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Aufgaben der Erfindung
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Es
ist daher eine große
Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen
eines Druckbehälters
aus Verbundwerkstoff bereitzustellen.
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Es
ist insbesondere eine Aufgabe dieser Erfindung, ein solches verbessertes
Verfahren bereitzustellen, welches Vorteile genießt, welche,
im Gegensatz zu Verfahren zum Herstellen von Druckbehältern aus
Verbundwerkstoff aus dem Stand der Technik, einschließen: Bessere
Kontrolle über
Verstärkungs/Matrix-Verhältnis, Altmaterialien,
welche effektiv recycliert werden können, verminderte Regulierungsprobleme,
die durch Emissionen bewirkt werden, höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten
für die Wicklungs-
(oder Alternativen zur Wicklung) und Härtungsschritte, beträchtliche
Arbeitseinsparungen aufgrund von weniger Materialhandhabung, Arbeitsflächenverminderung,
Automatisierungsgeeignetheit, eine sicherere Umgebung für Arbeitnehmer,
eine Vereinfachung von Herstellungsstraßen und der Materiallagerung
und -handhabung, schnellere Wechselzeiten, schnellere Anlaufperioden,
geringere Trainingskosten, geringere Energiekosten, etc.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Kurz
gesagt, diese und andere Aufgaben der Erfindung werden durch Verwendung
eines Verfahrens zum Herstellen eines Behälters aus Verbundwerkstoff
erreicht, welches die Schritte einschließt: A) Vorformen eines Gehäuses aus
Verbundwerkstoff für den
Behälter
(beispielsweise durch Umwickeln von Glasfaser und eines thermoplastischen
Materials auf einen thermoplastischen Dorn), welches eine thermoplastische
Filmeinlage aufweist, welche die innere Oberfläche desselben abdichtet; B)
Erwärmen
des Gehäuses
aus Verbundwerkstoff und der thermoplastischen Filmeinlage in einer
Form (welche optional erwärmt
werden kann), während
wenigstens eine Kraft (beispielsweise durch Evakuieren der Form, durch
Unterdrucksetzen der thermoplastischen Filmeinlage oder beidem)
beaufschlagt wird, welche dazu tendiert, die thermoplastische Filmeinlage
und das Gehäuse
aus Verbundwerkstoff nach außen
zu drängen;
C) Fortführen
von Schritt B), bis sich die thermoplastische Filmeinlage und das
Gehäuse
aus Verbundwerkstoff konsolidieren und die äußere Oberfläche des Gehäuses aus Verbundwerkstoff fluid
wird und fließt,
um sich der inneren Oberfläche
der Form anzupassen, wodurch der Behälter aus Verbundwerkstoff gebildet
wird; D) Ermöglichen,
daß der
gebildete Behälter
aus Verbundwerkstoff abkühlt;
und E) Entfernen des gebildeten Behälters aus Verbundwerkstoff
aus der Form. Geeignete thermoplastische Materialien schließen ein:
Polyethylen, Polypropylen, Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat.
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Beschreibung
der Zeichnung
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Der
Gegenstand der Erfindung wird insbesondere veranschaulicht und deutlich
beansprucht in dem abschließenden
Teil der Beschreibung. Jedoch kann die Erfindung, sowohl bezüglich der
Organisation als auch des Betriebsverfahrens, am besten durch Bezugnahme
auf die folgende Beschreibung verstanden werden, in Verbindung mit
den unterverbundenen Ansprüchen
und der beigefügten
Zeichnung, in welcher:
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1 eine
bildliche Ansicht einer Einlage/Dorn ist, die bei der Durchführung einer
ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
verwendet wird;
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2 eine
Querschnittsansicht ist, aufgenommen entlang der Linien 2-2 aus 1;
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3 eine
bildliche Ansicht der Einlage/Dorn ist, die in 1 und 2 gezeigt
ist, die mit einer Schicht eines zusammengemischten thermoplastischen
Fasermaterials überlegt
ist;
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4 eine
Ansicht der Einlage ist, nachdem sie mit der Schicht des vermischten
thermoplastischen Fasermaterials überlegt ist und eine vergrößerte fragmentarische
Querschnittsansicht einschließt.
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5A, 5B und 5C Querschnittsansichten
sind, die entlang der Linien 5-5 aus 3 aufgenommen
sind, welche drei Varianten eines ersten Materialtyps veranschaulichen,
welcher auf die thermoplastische Einlage gewickelt werden kann,
um die Oberschicht zu bewirken;
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6 eine Querschnittsansicht ist, die entlang
der Linien 6-6 aus 3 aufgenommen ist, welche einen
zweiten Materialtyp veranschaulicht, einen Vertreter jeder der drei
Varianten, die in 5A, 5B und 5C veranschaulicht
sind, welcher auf die thermoplastische Einlage gewickelt werden kann,
um die Oberschicht zu bewirken;
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7 eine
Querschnittsansicht ist, die entlang der Linien 18-18 aus 3 aufgenommen
ist, welche einen dritten Materialtyp veranschaulicht, ein Garn
des zweiten Materialtyps, welches auf die thermoplastische Einlage
gewickelt werden kann, um die Oberschicht zu bewirken;
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8 eine
Durchsicht einer Form ist, welche die modifizierte Einlage, die
in einer Form eingeschlossen ist, zeigt, in welcher sie Wärme und
wenigstens einer Kraft unterzogen wird, welche dazu tendiert, die
modifizierte Einlage in die Form zu drängen, die durch die innere
Oberfläche
der Form definiert wird;
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9 eine
vergrößerte teilweise
Querschnittsansicht der modifizierten Einlage ist, welche die Effekte
der Wärme
und der Kraft darauf veranschaulicht;
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10 eine
Ansicht ähnlich
zu 8 ist, welche die modifizierte Einlage zeigt,
die in einer unterschiedlichen Formart eingeschlossen ist;
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11 eine
Querschnittsansicht einer offenen Form ist, die eine vorgeformte
thermoplastische Komponente eines Druckbehälters enthält, die gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
hergestellt ist;
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12 eine
Ansicht ähnlich
zu 11 ist, die einen Schritt in der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt, in welcher ein Vorformling aus fluidem thermoplastischen
Material in das Innere der vorgeformten Komponente als eine zweite
Komponente eines zu bildenden Druckbehälters aus Verbundwerkstoff
eingeführt
ist;
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13 eine
Querschnittsansicht ähnlich
zu 11 und 12 ist,
wobei die Form jedoch geschlossen ist und die Komponenten des Druckbehälters einer
Kraft unterworfen werden, welche den Druckbehälter gegen die innere Wand
der Form bildet;
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14 eine
Querschnittsansicht einer offenen Form ist, die eine vorgeformte
thermoplastische Komponente eines Druckbehälters, der gemäß einer dritten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
hergestellt ist, und ebenfalls eine thermoplastische Einlagekomponente
enthält,
die in dem Inneren der ersten Komponente angeordnet ist;
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15 eine
Querschnittsansicht ähnlich
zu 14 ist, wobei jedoch die Form geschlossen ist und
die Komponenten des Druckbehälters
einer Kraft unterworfen sind, welche den Druckbehälter gegen die
innere Wand der Form bildet;
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16 eine
Querschnittsansicht des vollständigen
Druckbehälters
aus Verbundwerkstoff ist, der durch das Verfahren hergestellt ist,
das in 14 und 15 gezeigt
ist;
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17 eine
Querschnittsansicht einer offenen Form ist, die eine vorgeformte
thermoplastische Komponente eines Druckbehälters enthält, der gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform
hergestellt ist, und ebenfalls eine äußere Einlagekomponente, die äußerlich
zu der ersten Komponente angeordnet ist, und eine innere Einlagekomponente,
die in dem Inneren der ersten Komponente angeordnet ist;
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18 eine
Ansicht ähnlich
zu 17 ist, wobei jedoch die Form geschlossen ist
und krafterzeugende Komponenten mit der Form gekoppelt sind;
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19 eine
Ansicht ähnlich
zu 18 ist, welche den Druckbehälter zeigt, der in der Form
unter dem Einfluß von
Wärme und
einer oder mehreren Kräften
gebildet ist, welche die Druckbehälterkomponenten drängen, um
sich den Konturen der inneren Wand der Form anzupassen;
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20 eine
Querschnittsansicht des vollständigen
Druckbehälters
aus Verbundwerkstoff ist, der durch das Verfahren hergestellt ist,
das in 17, 18 und 19 gezeigt
ist;
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21 eine
Querschnittsansicht einer Form ist, die eine vorgeformte thermoplastische
Komponente eines Druckbehälters
enthält,
die bereits mit einer thermoplastischen Einlage versehen ist, wobei der
Druckbehälter
gemäß einer
fünften
erfindungsgemäßen Ausführungsform
herzustellen ist;
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22 eine
Ansicht ähnlich
zu 21 ist, welche den Druckbehälter zeigt, der in der Form
unter dem Einfluß von
Wärme und
einer oder mehreren Kräften
gebildet ist, welche die Druckbehälterkomponenten drängen, um
sich an die Konturen der inneren Wand der Form anzupassen;
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23 eine
Querschnittsansicht des vollständigen
Druckbehälters
aus Verbundwerkstoff ist, der durch das Verfahren hergestellt worden
ist, das in 21 und 22 gezeigt
ist; und
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24A eine Querschnittsansicht ist, welche
einen vorbereitenden Schritt zur Herstellung eines Druckbehälters aus
Verbundwerkstoff gemäß einer
sechsten erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform(en)
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Zunächst unter
Bezugnahme auf 1 und 2 wird eine
thermoplastische Einlage/Dorn 1 für einen Druckbehälter aus
Verbundwerkstoff gezeigt, der gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
herzustellen ist. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Einlage/Dorn 1 eine
im allgemeinen längliche
vorgeformte Struktur, die an jedem Ende in einer Kuppelform 2, 3 mit
einer zentralen axialen Öffnung 4, 5 endet.
Die thermoplastische Einlage 1 kann beispielsweise hergestellt
sein aus Polypropylen, Polyethylen, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat
oder mit Faser (z.B. Glasfaser) imprägniertem Polypropylen, Polyethylen,
Polybutylenterephthalat oder Polyethylenterephthalat oder anderem
thermoplastischem Material mit geeigneten Eigenschaften und kann
durch jedes geeignete herkömmliche
Verfahren hergestellt werden, wie ein Formen einer Kombination von
kleingeschnittenen Fasern, direktionalem, gewebtem und/oder gestricktem Fasergewebe,
zusammengenäht
oder zusammengeschweißt
in der Form des Behälters
und vermischt mit thermoplastischem Material.
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Wie
in 3 gezeigt, wird ein Filament, Vorgarn, Garn oder
Band 6 aus Faser (z.B. Glasfaser, Kohlefaser, Borfaser
etc.) und ein thermoplastisches Material methodisch um die äußere Oberfläche der thermoplastischen
Einlage 1 gewickelt, um eine im wesentlichen einheitliche
Oberlage 7 zu bilden, wie sie in dem vergrößerten Teilquerschnitt
in 4 gezeigt ist. Dieser Schritt kann beispielsweise
durchgeführt
werden durch Montieren der thermoplastischen Einlage 1 auf
einem Dorn 8 und Drehen der Einlage, wie es durch den Pfeil 9 gezeigt
ist, während
methodisch das bzw. die Filament(e), Vorgarn, Garn oder Band 6 von
einer seitlich und sich hin und her bewegenden Quelle zugeführt wird,
wie es durch den Doppelpfeil 10 dargestellt wird, und Fortführen dieser Prozedur,
bis die Oberlage 7 die gewünschte Dicke erreicht hat.
Das Material 6 kann „kalt" um die thermoplastische
Einlage 1 gewickelt werden oder kann durch einen Erhitzer 12 geführt werden,
was in einigen Anwendungen in einer einheitlicheren Oberlage 7 (4)
mit besseren funktionellen und/oder ästhetischen Eigenschaften resultiert.
Die resultierende Struktur 11 wird dann weiterverarbeitet,
wie im Detail unten beschrieben wird.
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Es
ist als wünschenswert
gefunden worden, in geeigneter Weise die Zuführgeschwindigkeit in den Bereichen
der Kuppeln und der Endstücke
zu variieren, so daß eine
im wesentlichen einheitliche Dicke der Oberlage über die Länge der Einlage
1 erhalten wird.
Alternative Aufwicklungsmethoden zum Erzielen einer zufriedenstellend
einheitlichen Oberlage sind im Stand der Technik gut bekannt, und
es wird Bezug genommen, beispielsweise, auf die
US 3,282,757 mit dem Titel METHOD
OF MAKING A FILAMENT REINFORCED PRESSURE VESSEL von Richard C. Brussee,
die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist und verschiedene
Aufwicklungsmethoden offenbart, welche in der Praxis der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können.
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Jedoch
ist die Form und insbesondere die Art der Faser und des thermoplastischen
Materials 6 von besonderer Bedeutung für die Praxis der Erfindung, so
daß die
Aufmerksamkeit kurz auf 5A, 5B, 5C, 6A, 6B und 7 gerichtet
wird, welche geeignete Varianten des Materials 6 veranschaulichen,
welche in der Praxis der Erfindung verwendet werden können. In 5A werden
getrennte Stränge
eines thermoplastischen Materials 13A und einer Faser 12A zusammen
oder getrennt aufgewickelt, mehr oder weniger aneinandergrenzend,
wie bei 6A gezeigt, auf der Einlage/Dorn 1. Geeignete
Arten des thermoplastischen Materials 13A, welches in der
Praxis der Erfindung für
diesen Zweck verwendet werden kann, schließen ein, sind jedoch nicht
begrenzt auf Polyethylen, Polypropylen, Polybutylenterephthalat
und Polyethylenterephthalat.
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5B zeigt
einen Querschnitt einer zweiten Variante 6B für das Material 6,
bei welcher das Faserfilament 12B mit dem thermoplastischen
Material 13B beispielsweise durch Doppelextrusion oder durch
jedes andere geeignete Vorbereitungsverfahren beschichtet ist. In ähnlicher
Weise zeigt 5C einen Querschnitt einer dritten
Variante 6B für
das Material 6, in welcher das Faserfilament 12C mit
einem Pulver des thermoplastischen Materials 13C beschichtet
ist.
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Bevorzugt
werden jedoch die Faser 12 und das thermoplastische Material 13 (in
jeder der Formen, die in 5A, 5B, 5C gezeigt
sind) vor dem Aufwickeln auf die Einlage/Dorn 1 zuerst
in ein Vorgarn 6D vermischt, wie in 6A gezeigt, oder
in ein Garn 6E solcher Vorgarne, wie in 6B gezeigt.
Eine weitere bevorzugte Konfiguration für das Material 6 ist
in 7 gezeigt, als ein Band 6F von vermischter
Faser und thermoplastischem Material. Geeignete Vorgarne, Garne
und Bänder
aus vermischter Faser, z.B. Glasfaser, und thermoplastischem Material
sind kommerziell erhältlich,
und eine Produktfamilie, welche als gut geeignet zur Verwendung
in der vorliegenden Erfindung gefunden worden ist, wird unter der
Handelsmarke Twintex® von Vetrotex vertrieben.
Twintex wird hergestellt durch ein geschütztes Verfahren, welches ein
Vermischen von Filamenten aus Glasfaser (z.B. 17 Mikrometer im Durchmesser)
mit Filamenten (z.B. 20 Mikrometer im Durchmesser) eines Thermoplasten
(z.B. Polyethylen oder Polypropylen) während der kontinuierlichen Herstellung
von Vorgarnen, Garnen und Bändern einschließt, welche
als solches und ebenfalls in der Form von Geweben erhältlich sind.
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Auf
diese Weise kann, lediglich beispielhaft, die thermoplastische Einlage/Dorn 1 selbst
aus Twintex®-Gewebe
hergestellt werden, welches zusammengenäht oder zusammengeschweißt ist und
geeignet wärmebehandelt
ist, beispielsweise in einer Form, um die Vorform zu erhalten, welche
anschließend
mit der Faser und dem thermoplastischen Material 6 umwickelt
wird, um die Zwischenstruktur 11 zu erhalten.
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Unter
Bezugnahme auf 8 wird nun, nachdem die Zwischenstruktur 11 wie
beschrieben oder auf jede andere geeignete Art und Weise hergestellt
worden ist, diese in einer Form 13 (zweistückig in
dem Beispiel) angeordnet. Die Form wird dann erwärmt, beispielsweise durch Einbetten
von Widerstandsheizern, die durch den Heizer 15B dargestellt werden,
kontrolliert angetrieben von einer Quelle E 15A und/oder
durch Zirkulation von heißem Öl, erwärmt durch
eine Quelle H 14A, durch Spulen 14B und/oder jedes
andere geeignete herkömmliche
Formerwärrmungshilfsmittel.
Zusätzlich
wird wenigstens eine Kraft auf die Form 13 und/oder das
Innere der Zwischenstruktur 11 beaufschlagt, welche dazu
tendiert, die äußere Oberfläche der
Zwischenstruktur zu drängen,
sich an die innere Oberfläche 13A (9) der
Form anzupassen, wenn die beaufschlagte Wärme Q bewirkt, daß die thermoplastische
Einlage 1 und die umwickelte Oberlage 7 zusammenschmelzen
und gegen die Form fließen.
Die Kraft oder Kräfte können durch
Beaufschlagen einer äußeren Kompression
auf die Formhälften
erzeugt werden, um sie zusammenzudrängen, wie durch die Pfeile
gezeigt, die mit „F" bezeichnet sind,
und/oder durch Zusammendrücken
des Inneren der thermoplastischen Einlage 1 beispielsweise
durch Verwendung von Gasdruck aus einer geeigneten Quelle 16,
der in die Einlage 1 durch eine Leitung 18 gefördert wird.
Wenn eine Druckbeaufschlagung verwendet wird, dienen Kappen (mit
Gewinde oder permanent) 19, um die Enden der Zwischenstruktur 11 abzudichten.
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Die
Wärme wird
dann von der Form 13 entfernt, damit der nun gebildete
Druckbehälter
aus Verbundwerkstoff härten
kann, und wird durch Öffnen der
Form auf die herkömmliche
Art und Weise entfernt.
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In
der Praxis können
zwei wichtige optionale Betrachtungen berücksichtigt werden. Zuerst ist
gefunden worden, dass die Form belüftet werden sollte, wie dargestellt
durch die peripher verteilten Entlüftungen 17, die in 8 gezeigt
sind, damit die eingeschlossene Luft entweichen kann, wenn sich
der Druckbehälter
gegen die innere Wand der Form bildet, und somit ein besonders gutes
Finish der äußeren Oberfläche des
Druckbehälters
erreicht werden kann, welche wenig, wenn überhaupt, weitere Oberflächenbearbeitung
erfordert. Zweitens, um sich einer vollständigen Verschmelzung zwischen
der thermoplastischen Einlage 1 und der umwickelten Oberlage 7 zu
versichern, ist gefunden worden, bevorzugt entsprechende Materialien
auszuwählen
mit etwas unterschiedlichen Schmelztemperaturen für die Einlage
und die Oberlage. Insbesondere sind beste Ergebnisse erhalten worden,
wenn die Erwärmungsgeschwindigkeit
gesteuert wird und der Schmelzpunkt der Einlage ausgewählt wird,
um oberhalb desjenigen der Oberlage zu sein, damit das thermoplastische
Material effektiv um die Faser herum schmilzt, während die Einlage erweicht
wird, jedoch nicht vollständig
während
des Formungsverfahrens schmilzt. Beispielsweise ist der Schmelzpunktbereich
von Polypropylen, wie im Fachgebiet gut bekannt ist, 148°C (300°F) bis 165°C (330°F), während derjenige
von Polyethylen 48°C
(120°F)
bis 60°C
(140°F)
ist.
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Wie
in 10 gezeigt, kann der Druckbehälter aus Verbundwerkstoff gemäß einem ähnlichen Verfahren
hergestellt werden, in welchem eine zweistückige Form 20, bereitgestellt
mit passenden Flanschen 21, 22, welche sich zusammen
verriegeln, verwendet wird, wodurch eine vorgegebene dreidimensionale
Form für
die innere Oberfläche
der zusammengesetzten Form vollständig definiert wird. In dieser
Konfiguration wird die Zwischenstruktur 11 in die Form,
welche zusammengesetzt ist, eingesetzt. Dann wird Wärme Q wie
oben beschrieben beaufschlagt, während
das Innere der Zwischenstruktur mit Druck beaufschlagt wird, um
den Druckbehälter aus
Verbundmaterial zu bilden. In dieser Variante besteht keine Notwendigkeit,
eine äußere Kompressionskraft
auf die Form zu beaufschlagen. Bevorzugt sind Entlüftungen 17 für die obengenannten
Gründe bereitgestellt.
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11, 12 und 13 veranschaulichen
ein unterschiedliches, jedoch verwandtes Verfahren zum Herstellen
eines Druckbehälters
aus Verbundmaterial. Aus Klarheitsgründen sind diese Figuren im
Querschnitt gezeigt. Sich beziehend auf 11 wird
eine Vorform 31 in einer zweistückigen Form 30A, 30B angeordnet.
Die Vorform 31, welche als ein äußeres Gehäuse für den herzustellenden Druckbehälter aus
Verbundwerkstoff dient, kann auf eine Art und Weise hergestellt
werden, die zuvor für die
thermoplastische Einlage 1 beschrieben worden ist, kann
jedoch alternativ auf eine Art und Weise hergestellt werden, die
zuvor für
die Zwischenstruktur 11 beschrieben worden ist; d.h. die
thermoplastische Einlage 1 umwickelt mit der Oberlage 7 aus
Faser und einem thermoplastischen Material.
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Wie
in 12 gezeigt, wird ein Vorformling 32 aus
geschmolzenem thermoplastischen Material, wie Polyethylen, Polypropylen,
Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat, als ein längliches Rohr
durch eine axiale Öffnung 37 in
dem oberen Ende der Vorform 31 extrudiert. Das Material
des Vorformlings 32 wird ausgewählt, um eine gute Bindung mit
einer gegebenen Vorform 31 zu bilden. Ein Einsatz 33,
welcher mit einem Gewinde versehen sein oder permanent sein kann,
wird in Bezug auf die axiale Öffnung 37 und
innerhalb des Vorformlings 32 eingesetzt. In ähnlicher
Weise wird, wenn die Vorform 31 eine zweite axiale Öffnung 38 einschließt, ein weiterer
Einsatz 34 in der zweiten Öffnung eingesetzt.
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Es
wird verstanden von Fachleuten auf dem Gebiet, daß der geschmolzene
Vorformling 32 eine große Menge an latenter Wärme speichert.
Daher sind unter Bezugnahme auf 13 die
Formhälften 30A, 30B geschlossen
und das Innere des Vorformlings wird aus einer Quelle 35 aus
kompressiertem Gas über
Leitung 36 mit Druck beaufschlagt, so daß das thermoplastische
Material 32A in dem Vorformling nicht nur gegen die innere
Oberfläche
der Vorform 31A fließt,
sondern ebenfalls eine ausreichende Wärme der Vorform 31A verleiht,
um sie fluid zu machen. Folglich fließt die äußere Oberfläche der Vorform 31A,
um sich an die innere Oberfläche
der Form anzupassen, wobei sich die Einsätze 33A, 34A mit dem
Rest der Struktur mischen oder entfernbare Einsätze definieren, wie es beabsichtigt
sein kann.
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Wenn
es in einer gegebenen Konfiguration unzureichende latente Wärme in dem
Vorformling gibt, um eine komplette Konsolidierung der Vorform und
des thermoplastischen Materials und die beabsichtigte Konformität der äußeren Oberfläche der Vorform
zu der inneren Oberfläche
der Form zu bewerkstelligen, kann dann zusätzliche Wärme Q auf die Form beaufschlagt
werden, um die Bildung des Druckbehälters 37 zu vervollständigen.
Die Form kann dann kühlen
(oder kann herkömmlicherweise treibgekühlt werden)
und wird geöffnet,
so daß der komplette
Druckbehälter
entfernt werden kann.
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14, 15 und 16 (im
Querschnitt gezeigt) veranschaulichen ein weiteres Formungsverfahren
zum Bilden einer Vorform 41 in einem Druckbehälter 41A.
Unter Bezugnahme von zunächst 14 kann
die Vorform 41 gemäß einem
der entsprechenden Verfahren hergestellt werden, die zuvor beschrieben
worden sind, einschließlich
des Verfahrens, das in Verbindung mit 1 – 10 beschrieben
worden ist, welches ein Umwickeln von vermischter Faser und eines
thermoplastischen Materials auf einer thermoplastischen Einlage
einschließt,
welche selbst durch Zusammenschmelzen oder Zusammennähen von
Komponenten aus vermischter Faser und eines thermoplastischen Materials
hergestellt werden kann. Oder die Vorform 41 kann verhältnismäßig grob
geformt sein aus einem geeigneten thermoplastischen Material, wie
Polyethylen, Polypropylen, Polybutylenterephthalat und Polyethylenterephthalat.
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Die
Vorform 41, welche in dem Beispiel axiale Öffnungen 44, 46 aufweist,
wird in eine zweistückige
Form 40A, 40B eingeführt. Dann werden Einsätze 43, 45 mit
einem Gewinde in den Öffnungen 44, 46 eingesetzt.
(Selbstverständlich
könnten
Einsätze, wie 33, 34,
die in dem Verfahren verwendet werden, das in 11 – 13 veranschaulicht
ist, oder einige andere Einsatztypen alternativ verwendet werden, abhängig von
der genauen Konfiguration, die für
den Druckbehälter
gesucht wird.) Wenn Einsätze
mit einem Gewinde verwendet werden, wird deren Material ausgewählt, um
einen Schmelzpunkt aufzuweisen, welcher ausreichend oberhalb des
Schmelzpunkts der Vorform 41 ist. Wenigstens einer der
Einsätze schließt eine Öffnung zum
Aufnehmen eines aufblasbaren Silikonkautschukbeutels 42 in
das Innere der Vorform 48 ein. Zusätzlich wird ein Erhitzer 48 innerhalb
des aufblasbaren Beutels 42 angeordnet, welcher ausgewählt wird,
um eine Wärmehandhabungsfähigkeit
aufzuweisen, die höher
ist als der Schmelzpunkt der Vorform 41. Ein geeigneter
Silikonkautschuk für
den aufblasbaren Beutel 42 ist Mosites 1453D, geliefert
von Mosites Rubber in den Vereinigten Staaten und Aerovac Systems
(Keighley) Ltd. im Vereinigten Königreich.
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Der
Erhitzer 48 kann von irgendeinem Typ sein, wie ein elektrischer
Widerstandserhitzer, Energie kann ebenfalls geliefert werden von
Konduktoren (nicht gezeigt), welche sich durch die Öffnung in
den Einsatz 43 mit einem Gewinde erstrecken und an eine
geeignete steuerbare Energiequelle (nicht gezeigt) gekoppelt sind.
Zusätzlich
kann, falls notwendig oder gewünscht,
ein zusätzliches
Vorerwärmen der
Vorform 41 bereitgestellt werden, wie durch Bereitstellen
einer Anordnung von Erhitzern, dargestellt durch die elektrischen
Widerstandserhitzer 47A, 47B, in der Nähe der Wände der
Vorform. Energie kann den Erhitzern 47A, 47B über Konduktoren (nicht
gezeigt) geliefert werden, welche sich durch eine oder die andere
oder beide der axialen Öffnungen 44, 46 in
die Vorform 41 erstrecken und an eine geeignete steuerbare
Energiequelle (nicht gezeigt) gekoppelt sind. Die Form 40A, 40B kann
selbst ebenfalls herkömmlich
vorerwärmt
und/oder während
des Formungsverfahrens erwärmt
werden.
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Wenn
die Vorform 41 vorzuerwärmen
ist (typischerweise, um den Durchsatz des Verfahrens zu steigern),
wird dieser Schritt ausgeführt,
um die Vorform nahezu fluid zu machen, und die Erhitzer 47A, 47B werden
aus der Form 40A, 40B zurückgezogen, welche dann geschlossen
wird. Sich beziehend auf 15 wird
ein aufblasbarer Silikonkautschukbeutel 42 durch eine Gasquelle 49 unter
Druck über
eine Leitung 50 aufgeblasen, während der Erhitzer 48 die Vorform 41 zu
einem fluiden Zustand durch den Beutel erwärmt, so daß der Beutel nach außen gerichtete Kräfte auf
die Vorform ausübt,
welcher daher fließt, um
sich der inneren Oberfläche
der Form 40A, 40B anzupassen, um den Druckbehälter 41A zu
bilden. Es wird erwähnt,
daß in
dem Beispiel die axialen Öffnungsbereiche
der Vorform fließen,
um sich den Gewinden der Einsätze 43, 45 anzupassen.
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Die
Beaufschlagung von Wärme
wird dann beendet, und wenn die Form 40A, 40B und
der gebildete Druckbehälter 41A sich
ausreichend abgekühlt haben,
wird die Form geöffnet,
die Einsätze 43, 45 mit
einem Gewinde werden entschraubt und der Silikonkautschukbeutel 42 und
Erhitzer 48 werden zurückgezogen,
um den gebildeten Druckbehälter
zurückzulassen.
Es wird erwähnt,
daß, wie
bei 51 dargestellt, innere Gewinde gebildet worden sind,
wie in dem Beispiel beabsichtigt, in den axialen Öffnungen des
gebildeten Druckbehälters
aus Verbundwerkstoff.
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Bei
der Herstellung von einigen Druckbehältern aus Verbundwerkstoff,
wie Haushaltswassererhitzern, kann die Farbe des Endprodukts von
Bedeutung sein. Es ist selbstverständlich möglich, eine Vorform gemäß einem
der zuvor beschriebenen Verfahren unter Verwendung von Materialien)
herzustellen, welche bereits gefärbt
sind. Jedoch gibt es zwei mögliche
Einwände
gegen diesen einfachen Ansatz; nämlich:
Die vorgefärbten
Rohmaterialien sind teurer und eine begrenzte Anzahl an Farben ist
für die
vorgefärbten
Rohmaterialien erhältlich.
Jedoch kann unter Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung
Farbe einem fertigen Druckbehälter
auf eine unterschiedliche und hoch befriedigende Art und Weise verliehen
werden.
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In ähnlicher
Weise gibt es Anwendungen für Druckbehälter, wie
Speicherung von ultrareinem Wasser, Gasspeicherung (z.B. Propan,
Butan, Naturgas, etc.) und Nahrungsmittellagerung, in welchem es
wünschenswert
ist, eine integrale impermeable innere Einlage innerhalb eines Druckbehälters aus Verbundwerkstoff
bereitzustellen. Wiederum kann ein Verfahren zum Bereitstellen einer
solchen integralen, impermeablen, inneren Einlage gemäß der vorliegenden
Erfindung entwickelt werden. Aus Zweckmäßigkeitsgründen behandelt ein Beispiel, das
in 17 – 20 gezeigt
ist, sowohl die Bereitstellung einer gewünschten äußeren Farbe für einen Druckbehälter aus
Verbundmaterial ebenso wie die Bereitstellung einer integralen,
impermeablen, inneren Einlage. Es wird verstanden, daß jedes
Merkmal individuell bereitgestellt werden kann.
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Daher
wird unter Bezugnahme auf 17 eine
Anordnung, die eine Vorform 63 (hergestellt gemäß einem
der zuvor beschriebenen Verfahren) einschließt, umgeben von einem Film 67 aus
thermoplastischem Material der gewünschten Produktfarbe, in eine
zweistückige
Form 60A, 60B eingesetzt. Wenn eine integrale,
impermeable, innere Einlage implementiert werden soll, wird ein
thermoplastischer Film 66 mit den gewünschten Eigenschaften in das Innere
der Vorform 63 eingeführt,
bevor Einsätze 64, 65 geeigneterweise
eingesetzt werden. Die Form 60A, 60B schließt entsprechende
gegenüberliegende
entspannte Abschnitte 61A, 61B und 62A, 62B ein,
welche, wenn die Form geschlossen ist, Durchgänge in das Forminnere bereitstellen.
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Sich
beziehend auf 18 wird die Form 60A, 60B geschlossen,
und das Innere der Form wird an eine Vakuumquelle 68 über eine
Leitung 69 angekoppelt. Alternativerweise oder zusätzlich wird
das Innere der inneren Einlage 66 (oder das Innere der Vorform 63,
wenn keine innere Einlage einzubetten ist) an eine Gasquelle 70 unter
Druck über
eine Leitung 71 angekoppelt. Wie in 19 gezeigt
ist, wird Wärme
Q auf die Form beaufschlagt, um all die Bestandteile des Druckbehälters aus
Verbundmaterial in einen fluiden Zustand zu bringen, während das
Innere der Form evakuiert wird, wie durch die Pfeile 72 dargestellt
ist, und das Innere der inneren Einlage 66 (oder von der
Vorform 63, wenn es keine innere Einlage gibt) wird mit
Druck beaufschlagt, wie durch die Pfeile 73 dargestellt.
Folglich konsolidieren sich die drei (oder zwei) Komponenten und
die äußere Oberfläche des
gefärbten
Films 67 paßt
sich an die Form des Inneren der Form 60A, 60B an.
Nachdem die Form kühlen
konnte (oder treibkühlen
konnte) und geöffnet
worden ist, ist der resultierende Druckbehälter aus Verbundwerkstoff 74,
der in 20 (als ein Querschnittsstück) gezeigt
ist, fertig für
jede anschließende
Verarbeitung. Wie zuvor erwähnt,
können
selbstverständlich
die Einsätze 64, 65 mit
einem Gewinde versehen sein für
ein anschließendes
Entfernen, wobei eine oder zwei axiale Öffnungen zurückgelassen
werden, wie es geeignet sein kann für den beabsichtigten Zweck
des Druckbehälters
aus Verbundwerkstoff.
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Ein ähnliches
Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters ist in 21 – 23 veranschaulicht. 21 zeigt
eine zweistückige
Form 80A, 80B, welche beispielsweise eine einfache
Bogenmetallform sein kann, so daß eine Anzahl von Druckbehältern gleichzeitig
gebildet werden kann. Die Form, welche eingestellt in einem geeigneten Ofen 81 gezeigt
ist, ist mit einer Vorform 42 beladen worden, die gemäß einem
der Verfahren und mit einem der Materialien und/oder Kombinationen
von Materialien hergestellt worden ist, die zuvor beschrieben worden
sind, und mit wenigstens einer Öffnung zum
Zugang des Inneren derselben. Ein thermoplastischer Filmbeutel 83,
welcher beabsichtigt ist, um als eine integrale Einlage in dem fertigen
Druckbehälter zu
fungieren, wird in das Innere der Vorform 82 eingeführt, bevor
die Form 80A, 80B geschlossen wird.
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Sich
nun beziehend auf 22 wird, wenn Wärme Q aus
dem Ofen 81 zu der Form 80A, 80B transferiert
wird, Gasdruck P (aus irgendeiner geeigneten Quelle, nicht gezeigt)
auf das Innere des thermoplastischen Filmbeutels 83 beaufschlagt,
wodurch er in Richtung auf die innere Oberfläche der Vorform 82 ausgerichtet
wird. Zusätzlich
wird Vakuum V (aus irgendeiner geeigneten Quelle, nicht gezeigt)
an dem Inneren der Form 80A, 80B gezogen, und
somit nach außen
zu der Vorform 82. Dieser Zustand wird fortgeführt, bis
die Kunststoffmaterialien der Vorform 82 und der Kunststoffilmbeutel
sich konsolidieren und die äußere Oberfläche der
Verbundstruktur die Form des Inneren der Form annimmt. Dann wird
die Form aus dem Ofen 81 genommen, kann abkühlen und wird
geöffnet,
um den vollständigen
Druckbehälter aus
Verbundwerkstoff 85 zu entfernen, welcher in 23 gezeigt
ist, hergestellt aus der integralen Struktur einschließlich der
geformten Vorform 82A und der Kunststoffilmeinlage 83A,
welche verschmolzen worden sind an das Innere des Druckbehälters aus
Verbundwerkstoff.
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Druckbehälter aus
Verbundwerkstoff, die gemäß all den
Verfahren hergestellt worden sind, die oben beschrieben wurden,
weisen Leistungs- und Ästhetikeigenschaften
auf, die beträchtlich über solchen
verbessert sind, die mit Verfahren aus dem Stand der Technik hergestellt
werden. Insbesondere können
sie höheren
Drücken
und Temperaturen standhalten, sind schlagzäher und zeigen ein beträchtlich
besseres Finish. Sie weisen ebenfalls gute Maschinenverarbeitungsattribute
auf und können
daher leicht verschweißt,
geschnitten, gebohrt, mit einem Gewinde versehen, gestanzt oder
dergleichen werden, wie es gewünscht
werden kann, um ein fertiges Hochqualitätsprodukt herzustellen.
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Daher
werden, während
die Prinzipien der Erfindung in veranschaulichenden Ausführungsformen
nun klargemacht worden sind, für
Fachleute auf dem Gebiet sofort zahlreiche Modifikationen der Struktur
und Komponenten offensichtlich, die in der Praxis der Erfindung
verwendet werden, welche besonders angepaßt sind für spezifische Umgebungen und
Betriebserfordernisse, ohne von diesen Prinzipien abzuweichen.