EP4232615A1 - Method for coating a wall - Google Patents

Method for coating a wall

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Publication number
EP4232615A1
EP4232615A1 EP21801844.8A EP21801844A EP4232615A1 EP 4232615 A1 EP4232615 A1 EP 4232615A1 EP 21801844 A EP21801844 A EP 21801844A EP 4232615 A1 EP4232615 A1 EP 4232615A1
Authority
EP
European Patent Office
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wall
layer
fiber composite
composite material
intermediate layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21801844.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sascha Larch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Additive Space GmbH
Original Assignee
Additive Space GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Additive Space GmbH filed Critical Additive Space GmbH
Publication of EP4232615A1 publication Critical patent/EP4232615A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/32Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to a method for coating a wall according to the preamble of claim 1 and to a wall which has preferably been produced using this method.
  • the invention relates to a method for producing a container with such a wall and a container preferably produced according to this method.
  • a technical field in which this special variant of the method according to the invention directed to the manufacture of containers is applied is the manufacture of pressure vessels such as pressure tanks.
  • Thermal spraying in which metal is sprayed onto a surface and mechanically bonded to the material on this surface, is particularly suitable for this purpose.
  • cold gas spraying has recently become established, in which solid metal particles are sprayed onto the surface to be coated with high kinetic energy. by the impact energy melt and combine with the material of the surface to be coated.
  • a special area in which such walls can be used is the production of special pressure vessels made of pressure-resistant plastic materials, so-called “Composite Overwrapped Pressure Vessels” (COPV).
  • COV Composite Overwrapped Pressure Vessels
  • Such containers are used particularly in space technology as pressure tanks, for example as fuel pressure tanks, but are also used, for example as fuel pressure tanks, for example hydrogen tanks, in land, air and water vehicles.
  • such tanks are often made of plastic, in particular a fiber composite material, in order to be able to effectively support the forces generated by the pressure difference between the pressurized interior of the container and the environment, which is usually a vacuum in space travel, despite the low material weight.
  • containers whose interior is under negative pressure compared to the environment for example aircraft waste water tanks.
  • such tanks with a wall made of plastic or a fiber composite material are often not chemically resistant to the gases or liquids to be stored or (especially in the case of helium or hydrogen) are not sufficiently tight.
  • Such pressure tanks today usually consist of a thin metallic liner, which is wrapped with the fiber composite material and connected by gluing in order to secure the liner against bursting.
  • a problem with this is that the metallic liner and the fiber composite material in space prevailing large temperature differences are subject to different thermal expansions and contractions or are subject to strong temperature changes and fluctuations as a result of filling with cryogenic fuels when the pressure tank is being filled.
  • the liner for example made of titanium, is formed from sheet metal (for example, two drawn hemispheres as a dome and a bent sheet metal with a longitudinal seam as a cylinder) and welded together with the connecting flanges.
  • the surface of the metallic liner usually has to be prepared and primed before the bonding and wrapping process to ensure adequate bonding of the fiber composite material to the surface of the metallic liner. Subsequently, the container, initially formed only by the liner, is pressurized for stabilization and wrapped with the fiber composite material or otherwise surrounded and cured.
  • DE 197 47 384 A1 discloses a method for producing composite bodies, in which a base body made of plastic or ceramic, for example, is coated with a layer of metal by thermal spraying using the cold gas spraying method in order to increase the mechanical stability of the base body or to make it gas-tight or vacuum-tight.
  • DE 197 47 386 A1 also discloses a method for thermally coating substrate materials, for example also composite materials, with a metal or a metal alloy, for example, by means of cold gas spraying.
  • CH 538 549 A discloses a method for applying protective surface layers made of plastic, in which a body to be coated has a wall made of a fiber-synthetic-resin composite. An intermediate layer of a fabric with longitudinal and transverse threads, which are laminated with the synthetic resin, is first applied to this fiber-synthetic-resin composite. A protective surface layer made of metallic or ceramic materials is applied to this intermediate layer by means of flame spraying.
  • the object of the present invention is to develop a method for coating a wall provided with a fiber composite material with at least one metallic surface layer in such a way that when the wall is coated by means of thermal spraying, the surface to be coated and the layer belonging to this surface are not impaired and also when only a very thin layer of coating is applied, it adheres effectively and reliably to the surface to be coated, and specify a correspondingly coated wall.
  • a corresponding method for producing a container having such a wall is to be specified, with which it can be achieved that with a low overall weight of a container to be produced, it is and remains reliably gas-tight as well as chemically inert and resistant even with large temperature and/or pressure fluctuations .
  • a corresponding container should also be specified.
  • a method for coating a wall having an outer wall layer with at least one metallic surface layer has the following steps: a) providing a wall base body formed by the outer wall layer; b) connecting the outer wall layer to an intermediate layer formed from a fiber composite material or having a fiber composite material to form the wall to be coated, with at least some of the fibers of the fiber composite material of the intermediate layer having a metallic surface, and b) coating the wall on that of the outer Wall layer facing away from the surface of the intermediate layer with the at least one metallic surface layer by means of a spray device by thermal spraying. This is preferably done by cold gas spraying.
  • the wall to be coated formed in steps a) and b) is produced in a slightly modified manner, for which purpose the following steps are provided before step c) instead of steps a) and b): a1) application of an intermediate layer or the outer wall layer on at least one shaped body; b1) applying the outer wall layer made of the fiber composite material to the intermediate layer or applying the intermediate layer to the outer wall layer and connecting the outer wall layer to the inner intermediate layer to form the wall to be coated, with at least some of the fibers of the fiber composite material of the intermediate layer having a metallic surface ; b2) hardening of the wall.
  • the intermediate layer is applied to the shaped body (first variant of the second alternative) or the intermediate layer is applied to the outer wall layer previously applied to a shaped body (second variant of the second alternative).
  • the first two steps of the second alternative can consequently also be carried out in reverse order, so that first the outer wall layer is applied to at least one molded body and then the intermediate layer is applied to the outer wall body and only then does curing take place.
  • the plastic material of the intermediate layer is ideally connected to the matrix material of the fiber composite material the outer wall layer and cures together in step b2) to form an integral wall.
  • the shaped body is removed and the wall is then coated according to step c).
  • this surface coating can be applied extremely thinly and yet with intensive adhesion to the wall and thus form a wafer-thin metallic liner. This not only leads to a significant saving in mass compared to a classic metal planking of such a wall with a metal liner made of sheet metal, but also saves costly sheet metal forming, welding and surface preparation work.
  • the intensive adhesion of the surface coating sprayed using the thermal spray process ensures a intimate connection of the surface coating to the wall, especially if this consists of plastic or a fiber composite material, and significantly reduces the risk of the surface coating detaching from the wall, since the metal particles penetrate the surface of the intermediate layer and form a mechanical form-fitting connection.
  • Another major advantage of the method according to the invention compared to the planking known from the prior art with a liner made of sheet metal is that in the event of defects found during quality control (e.g. thickness of the underlayer or scratches in the surface coating), repair measures can be taken on the liner forming Surface coating can be easily carried out by repeated spraying. Improvements can also be implemented if, for example, the result of a qualification test shows that local reinforcements of the metallic surface layer may be necessary.
  • the design of the intermediate layer from or with a fiber composite material with fibers laminated in synthetic resin, of which at least some of the individual fibers have a metallic surface layer ensures high impact strength of the surface of the fibers, which reduces the risk of damage to the individual fibers when the metal particles sprayed on during thermal spraying, especially during cold gas spraying, in step c).
  • the strength of the wall body is thus not affected or only slightly affected.
  • the surface coating with metallic material by means of thermal spraying in step c) causes an intimate microscopic positive structural connection of the metallic surface coating with the metallic fiber surfaces due to the (partial) penetration of the metal particles sprayed onto the metallic fiber surface of the intermediate layer into the metallic material.
  • the adhesion of the sprayed metal particles on the metal surface of the fibers is better than on fibers with a non-metallic surface.
  • the intermediate layer which is firmly attached to the outer wall layer, protects the outer wall layer, in particular the fibers responsible for its strength, from damage by thermal spraying on the intermediate layer, for example on an inside of a container body having the wall, and possibly even penetrating metal particles. In this way, sprayed-on metal particles penetrate at most into the intermediate layer in order to firmly anchor themselves and thus the metallic surface coating in the intermediate layer.
  • the matrix of the intermediate layer preferably contains the same plastic material as the outer wall layer. This is particularly advantageous when the outer wall layer consists of or has a fiber composite material and when the plastic material of the intermediate layer corresponds to the matrix material of this fiber composite material of the outer wall layer.
  • the outer wall layer is formed from a plastic or from a fiber composite material or has such a material.
  • the intermediate layer preferably has a fiber composite fabric or a fiber composite scrim or it is formed from a fiber composite fabric or a fiber composite scrim. It is also of particular advantage if at least some of the individual fibers of the fiber composite material of the intermediate layer have a non-metallic fiber core coated with a metal or a metal alloy.
  • At least some of the individual fibers of the fiber composite material of the intermediate layer are preferably coated with copper, with nickel or with an alloy of metals that is invariant to thermal expansion.
  • the intermediate layer is formed from a fiber composite material in prepreg construction.
  • the respective fiber composite material is a carbon fiber composite material, an aramid fiber composite material or a glass fiber composite material.
  • An advantageous embodiment of the respective method according to the invention is characterized in that at least one of the metals aluminum, titanium, stainless steel, copper or nickel and/or at least one alloy of metals, such as For example, an iron-nickel alloy, preferably an iron-nickel alloy that is invariant to thermal expansion, as is known, for example, under the protected brand name Invar®, is applied by thermal spraying, in particular and preferably by cold gas spraying.
  • the wall of the wall base body is formed in step a) from a fiber composite material in a prepreg construction or in a wet application construction.
  • a fiber composite material in a prepreg construction or in a wet application construction.
  • These types of wall production ensure high mechanical stability, so that the thin metallic surface coating has to absorb almost no mechanical loads and/or expansions.
  • the wall is formed from or has a ductile matrix plastic.
  • the wall is formed as a laminate, in particular if the laminate is formed from or comprises a short fiber laminate or if the laminate is formed from or comprises a sheet molding compound.
  • the intermediate layer is formed by a fiber composite material or has such a material, the fiber composite material preferably being formed by a fiber composite fabric impregnated with a plastic matrix, for example carbon fibres, glass fibres, aramid fibers (for example made of Kevlar® or Nomex®) or other fibers.
  • a plastic matrix for example carbon fibres, glass fibres, aramid fibers (for example made of Kevlar® or Nomex®) or other fibers.
  • This type of intermediate layer is particularly advantageous when the outer wall is made of a fiber composite material with a unidirectional fiber orientation or has one.
  • the intermediate layer By providing the intermediate layer with a fiber composite fabric, the metal particles impacting due to the spraying process, which form a permanent connection with the wall, will build up better resistance and at the same time the risk of damage to the fibers of the outer wall layer, which are oriented unidirectionally, for example, is reduced just as significantly as a through a possible pre-damage of the unidirectionally aligned fibers of the outer wall layer, since the fiber composite fabric of the inner intermediate layer already forms a form fit even without the matrix plastic and has a biaxial load-bearing behavior.
  • the fibers with the metallic surface layer are preferably glass fibers, aramid fibers or carbon fibers, which are preferably before lamination or before Processing to the fiber composite material in question coated on their respective surface with a metal, for example vaporized, has been. But it can also be fibers made of another base material, which are provided with the metallic surface layer.
  • At least some of the individual fibers are preferably coated with a metal or a metal alloy, for example vaporized or by means of CVD (chemical vapor deposition), before the fiber fabric, the fiber knitted fabric or the fiber layer is produced, in particular during or after the production of the fibers. coated.
  • a metal or a metal alloy for example vaporized or by means of CVD (chemical vapor deposition)
  • CVD chemical vapor deposition
  • the part of the object directed to the wall is achieved by the features of claim 10, namely by a wall with an outer wall layer and an intermediate layer provided on one side of the outer wall layer and connected to it, which is formed from a fiber composite material or has a fiber composite material At least some of the fibers of the fiber composite material of the intermediate layer have a metallic surface, the surface of the intermediate layer facing away from the outer wall layer being provided with at least one metallic surface layer applied by thermal spraying, preferably by cold gas spraying.
  • This wall is preferably produced using a method of the invention. Even if it is sufficient if only some of the fibers, ie some of the fibers, of the intermediate layer are metal-coated on their respective surface, all fibers of the fiber composite material of the intermediate layer are preferably coated with a metal or a metal alloy.
  • the fiber composite material of the intermediate layer preferably has a fiber fabric, a fiber fabric or a fiber fabric with the metal-coated fibers or is formed from a fiber fabric, a fiber fabric or a fiber fabric with the metal-coated fibers. All fibers of the fiber fabric, the knitted fabric or the fiber fabric or only some fibers may be provided with a metallic surface, e.g. metal-coated. In the case of a fiber fabric, fibers running in a first direction as well as fibers running in a second direction at an angle to the first direction of the fabric are preferably provided with a metallic surface.
  • At least some of the individual fibers of the fiber composite material of the intermediate layer are preferably coated with copper, with nickel or with an alloy of metals that is invariant to thermal expansion.
  • the fiber composite material is a carbon fiber composite material, an aramid fiber composite material or a glass fiber composite material.
  • the individual metal-coated fibers preferably have a non-metallic fiber core, for example glass fiber, aramid fiber or carbon fiber material, and a metallic outer surface, the metal preferably being or comprising copper or nickel or a thermal expansion-invariant alloy of metals.
  • a non-metallic fiber core for example glass fiber, aramid fiber or carbon fiber material
  • a metallic outer surface the metal preferably being or comprising copper or nickel or a thermal expansion-invariant alloy of metals.
  • other metals or metal alloys can also be provided for coating the fibers.
  • the metallic surface layer of the wall applied using the thermal spraying process has at least one of the metals aluminum, titanium, stainless steel, copper or nickel and/or at least one alloy of metals, such as an iron-nickel alloy.
  • the application according to the invention of at least one - preferably thin - metallic layer to the wall made of fiber composite material (FRP) or another non-metallic material by means of a thermal spraying process, in particular by means of cold gas spraying, serves to improve the basic properties of the material of the wall.
  • the carrier material e.g. the fiber composite material or the plastic of the wall.
  • the part of the object directed to the method for manufacturing a container is achieved according to a first variant by a method for manufacturing a container having the features of claim 16 and according to a second variant by a container having the features of claim 17.
  • the wall is formed according to one of the methods according to the invention described above.
  • the container body is provided with at least one opening and the intermediate layer lies on the inside of the outer wall layer facing the inside of the container body.
  • the wall of the container body is coated with the at least one metallic surface layer on the surface of the intermediate layer facing the inside of the container body by thermal spraying, preferably cold gas spraying, by means of a spraying device inserted through the at least one opening.
  • thermal spraying preferably cold gas spraying
  • this variant of the method for producing a container with a container body that has a wall, the container body being provided with at least one opening thus has the following steps: a) Manufacturing the container body with a wall that has an outer wall layer made of plastic or a fiber composite material and an inner intermediate layer formed by a fiber composite material on the inside of the outer wall layer facing the inside of the container body, wherein at least some of the fibers of the fiber composite material of the inner intermediate layer are coated with a metal or a metal alloy; b) Coating of the wall of the container body on the surface of the inner intermediate layer facing the inside of the container body with at least one metallic surface layer by thermal spraying using a spraying device inserted through the opening. This is preferably done by cold gas spraying.
  • the second variant of the method according to the invention for producing a container with a multi-part container body made of container parts, which has a wall according to the invention, the container body being provided with at least one opening has the following steps: a) producing the container parts of the container body, each with one Wall formed by a method for manufacturing a wall according to the invention, wherein the intermediate layer lies on the inside of the outer wall layer facing the inside of the container body, and wherein the coating of the wall of the respective container part of the container body' takes place on the surface of the inner intermediate layer facing the inside of the container body', and b) assembling the container parts to form the container.
  • This alternative variant of the method can preferably be used when the container body is designed in several parts.
  • the individual container parts are first manufactured and the respective surface coating is sprayed on their respective inner side and then the container parts are assembled to form the container.
  • the wall of the container body or of the individual container parts is formed from a fiber composite material in a prepreg construction or in a wet-wound construction.
  • the wall of the container body or of the individual container parts is formed from or has a ductile matrix plastic.
  • the risk of the plastic being impaired in its strength by the impact and penetration of metal particles during thermal spraying, in particular during cold gas spraying, is significantly reduced.
  • the wall of the container body is formed as a laminate, in particular if the laminate is formed from a short-fiber laminate or has one or if the laminate is formed from a sheet molding compound or has one.
  • the inner intermediate layer has a fiber composite fabric or is formed from such a fabric.
  • the wall of the container body or of the respective container part is preferably formed from a fiber composite material in the following partial steps: a1) applying the inner intermediate layer to at least one shaped body; a2) applying the outer wall layer made of the fiber composite material to the inner intermediate layer; a3) hardening of the wall.
  • the plastic material of the intermediate layer (as in the first variant—combines in an ideal manner with the matrix material of the fiber composite material the outer wall layer and cures together in step a3) to form an integral wall.
  • the shaped body is removed from the container body formed in this way, for example melted out, dismantled or stress-relieved, and the wall is then coated from the inside.
  • the inner intermediate layer is preferably formed by a fiber composite fabric impregnated with a plastic matrix, which has, for example, carbon fibers, glass fibers, aramid fibers (for example made of Kevlar® or Nomex®) or other fibers.
  • a plastic matrix which has, for example, carbon fibers, glass fibers, aramid fibers (for example made of Kevlar® or Nomex®) or other fibers.
  • This type of intermediate layer is particularly advantageous when the outer wall is made of a fiber composite material with a unidirectional fiber orientation or has one.
  • the intermediate layer By providing the intermediate layer with a fiber composite fabric, the metal particles that hit the spray process and have to form a permanent connection with the wall will build up better resistance and At the same time, the risk of damage to the unidirectionally aligned fibers of the outer wall layer is reduced just as significantly as a risk formed by possible previous damage to the unidirectionally aligned fibers of the outer wall layer, since the fiber composite fabric of the inner intermediate layer already forms a form fit and a has biaxial load-bearing behavior.
  • the methods according to the invention for producing a container are particularly preferably used when the fiber composite material is a carbon fiber composite material or a glass fiber composite material.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention for producing a container which can be combined with other embodiments of the method, is characterized in that at least one of the metals aluminum, titanium, stainless steel, copper or nickel and/or at least one alloy of Metals, such as iron-nickel alloys, preferably iron-nickel alloys that are invariant to thermal expansion, as are known, for example, under the protected brand name Invar®, are applied using the thermal spraying process, in particular cold gas spraying.
  • the part of the object directed to the container is achieved by the features of claim 18, namely by a container with a container body which has a wall formed according to the invention with an outer wall layer made of plastic or of a fiber composite material and an inner intermediate layer formed of a fiber composite material on the has the inside of the outer wall layer pointing towards the inside of the container body, at least some of the fibers of the fiber composite material of the inner intermediate layer being coated with a metal or a metal alloy, the surface of the inner intermediate layer pointing towards the inside of the container body having at least one through thermal spraying, in particular by cold gas spraying, by means of the coating method according to the invention applied metallic surface layer is provided. Even if only some of the fibers, ie some of the fibers, of the inner intermediate layer can be metal-coated on their respective surface, all fibers of the fiber composite material of the inner intermediate layer are preferably coated with a metal or a metal alloy.
  • the fiber composite material of the inner intermediate layer of the container wall preferably has a fiber composite fabric, a fiber composite fabric or a fiber composite fabric with the metal-coated fibers or consists of such a fiber composite fabric, fiber composite fabric or fiber composite fabric. All fibers of the woven or knitted fabric or only some fibers can be metal-coated.
  • fibers running in a first direction as well as fibers running in a second direction at an angle to the first direction of the fabric are metal-coated.
  • the individual fibers are coated with a metal or a metal alloy before the woven or knitted fabric is produced, for example vaporized or coated by means of CVD (chemical vapor deposition).
  • the individual metal-coated fibers have a non-metallic fiber core, for example glass fiber or carbon fiber materials, and a metallic outer surface, the metal preferably being or comprising copper or nickel or a thermally expansion-invariant alloy of metals.
  • other metals or metal alloys can also be provided for coating the fibers.
  • the container according to the invention forms a pressure tank that is used, for example, in space technology as a satellite tank or rocket tank.
  • the container according to the invention can be used as a pressure tank for fuels in land, air or water vehicles.
  • the container according to the invention can also be used as a pressure tank for breathing gases, such as for so-called 'space walks' (Extra Vehicular Activities - EVA) in or on space suits or on earth when diving or for Respiratory protection purposes and for breathing air supply is required by the fire brigade, the military or civil protection.
  • this surface coating can be extremely thin and yet strongly adherent to the wall (here the container). applied to form a wafer-thin metallic liner. This not only leads to a significant saving in mass compared to the classic production of a container with a metal liner made of sheet metal, but also saves costly sheet metal forming, welding and surface preparation work.
  • the intensive adhesion of the surface coating sprayed by means of the thermal spraying process ensures an intimate connection of the surface coating to the wall of the container, especially if it is made of plastic or a fiber composite material, and significantly reduces the risk of the surface coating detaching from the container wall, since the metal particles penetrate the surface of the container wall and form a mechanical form-fitting connection.
  • Another major advantage of the method according to the invention compared to the lining of a container with a liner made of sheet metal known from the prior art is that in the event of defects found during quality control (e.g. lower wall thickness or scratches in the surface coating), repair measures can be taken on the den Liner-forming surface coating can be easily carried out by repeated spraying. Improvements can also be implemented if, for example, the result of a qualification test shows that local reinforcements of the metallic liner on the later flight model may be necessary.
  • the metal-coated carbon fibers or glass fibers from damage caused by thermal spraying impacting the inside of the container body and possibly even metal particles penetrating into it.
  • sprayed-on metal particles penetrate at most into the intermediate layer in order to firmly anchor themselves and thus the metallic surface coating in the intermediate layer.
  • FIG. 1 shows a partially sectioned container body with a wall according to the invention during the coating step according to an advantageous variant of the method according to the invention
  • FIG. 2 shows the container body shown in section from FIG. 1 during the step of coating the wall by means of cold gas spraying.
  • the method according to the invention for coating a wall 12 and the wall 12 according to the invention are described below by way of example using the wall 12 of a container 1, for example a pressure container for a gaseous fuel.
  • the method according to the invention and the wall according to the invention are independent of the application and intended use of the wall 12 and are not limited to the wall of a container, such as a pressure tank.
  • the container 1 shown here is just one of many examples with a wall constructed and coated as described below. 1 shows a container body 10 of a container 1 in the phase of manufacturing the container body 10 .
  • the wall 12 of the container body 10 consists of an outer wall layer 13, which in the example shown consists of a fiber composite material with unidirectionally aligned fibers with a cross winding, and an inner wall layer, also referred to as an intermediate layer 14, which also consists of a fiber composite material, the matrix material of which is Essentially the matrix material of the fiber composite material of the outer wall layer 13 corresponds.
  • the inner wall layer 14 has a fiber composite material, for example a fiber composite fabric or fiber composite fabric with a liquid, hardenable plastic as the matrix material, which, for example, is first brushed or sprayed onto the molded body 2 — preferably provided with a release agent — and to which the fiber composite fabric or fiber composite fabric is then applied will.
  • the fiber composite fabric or fiber composite knitted fabric can also be present, for example, in the form of so-called prepregs and can be placed on the shaped body 2 in the uncured state.
  • the wall layer which is also referred to as the intermediate layer 14, thus forms, as a fiber composite layer, a closed plastic layer encasing the surface 2' of the molded body 2.
  • an outer wall layer 13 made of another fiber composite material with unidirectionally aligned fibers is applied to the intermediate layer 14 forming the inner wall layer wrapped in fiber composite material. Since the plastic matrix of the fiber composite material of the outer wall layer 13 essentially corresponds to the matrix material of the intermediate layer 14—the same plastic is preferably used here used - the two wall layers 13, 14 form a close connection and ideally network with one another.
  • a connecting flange 11 provided with a through-opening 11' can be laminated into the wall 12 of the container body 10 during the production of the two wall layers 13, 14.
  • a connecting flange 11 is provided on the underside of the container body 10 shown in FIG.
  • This connection flange can consist, for example, of a metal or likewise of plastic, fiber composite material or also of ceramic.
  • the container body 10 is cured in a manner known per se to a person skilled in the art. After curing, the shaped body 2 is removed from the interior of the container body 10 through the opening 11 ′ in the connecting flange 11 , for example the shaped body 2 is melted out of the container body 10 .
  • the hollow container body 10 manufactured in this way is then subjected to the coating process according to the invention shown in connection with FIG the inner wall layer forming the intermediate layer 14 is applied with a surface coating 16 by means of a thermal spraying process, in the example shown by means of cold gas spraying.
  • FIG. 2 the container body 10 shown in FIG. 1 is shown with the connecting flange 11 erected upwards, the container 1 being stably supported by means of supports S on a base.
  • the container 1 is shown in a vertical section in order to be able to show the process of coating the inside 10 ′ of the container body 10 .
  • the connecting flange 11 which consists for example of metal, is laminated into the wall 12 of the container body 10 and firmly connected to the wall 12 .
  • the connecting flange 11 is anchored with its collar between the inner wall layer 14 and the outer wall layer 13 by lamination.
  • the collar of the connection flange 11 can also be covered on its outside with the inner wall layer 14 and the outer wall layer 13 .
  • a spraying device 3 for a thermal spraying process is introduced from above through the opening 11 ′ of the connecting flange 11 into the interior 10′′ of the container body 10.
  • the spraying device 3 comprises a guide rod 30 which is controlled by a control and guide mechanism (not shown) in the vertical direction is movable, as illustrated by the double-headed arrow V in FIG. 2, and which can be rotated about its axis X in both directions by means of the actuating and control mechanism, as is symbolized by the double-headed arrow R in FIG.
  • an injection unit 34 for the thermal spraying process is pivotably attached by means of a pivot joint 32 which can be pivoted about a transverse axis Y perpendicular to the axis X of the guide rod 30.
  • a supply hose unit 35 which is also routed through the opening 1 T of the connecting flange 11 into the interior 10" of the container body 10, is functionally coupled to the injection unit 34 and connects the injection unit 34 to supply sources (not shown) for a working gas and to a supply of powdered particles , in the present case powdered metal particles, which are sprayed by the spraying device 3 onto the surface 14' of the intermediate layer 14 on the inside 10' of the container body 10, which surface faces the interior space 10''.
  • the supply hose unit 35 has a working gas hose 35' and a particle transport hose 35".
  • the spray unit 34 has at least one spray nozzle 36, through which metal material is sprayed by means of a spray jet 38 onto the inside 10' of the container body, namely onto the inner surface 14' of the Intermediate layer 14 may be applied in one coating layer 18 or in multiple coating layers, whereby surface coating 16 is formed.
  • the spraying unit 34 is a known unit for cold gas spraying.
  • a working gas supplied to the spraying unit 34 is first compressed and heated and then accelerated by expanding it in the spray nozzle 36, with particles introduced into the gas jet, in the present case metal particles, falling on a preferably previously heated substrate - in the present case Fall on the surface 14' of the intermediate layer 14 - be shot. There, the particles penetrate partially into the surface 14' to be coated and thus anchor the applied coating layer 18 of the surface coating 16 in the intermediate layer 14 forming the inner wall layer.
  • the detail B in Fig. 2 shows an enlarged representation of a partially sectioned plan view of the intermediate layer 14 in the direction of the arrow B.
  • the surface 14 'of the intermediate layer 14 is mainly formed by the plastic matrix, the fibers 15 of the fiber composite shown here as a fabric of the intermediate layer 14 covered.
  • the individual fibers 15 have a fiber core 15 ', for example made of carbon fiber, aramid fiber or glass fiber material, which is coated on its surface with a metal, for example vaporized, so that the individual fibers of the woven (or knitted) of the intermediate layer 14 with a metallic one Surface layer 15 "are provided.
  • the metallic surface layer 15" is preferably made of copper or nickel or of a metal alloy, which is preferably thermal expansion invariant. Such a thermal expansion-invariant iron-nickel alloy is known, for example, under the protected brand name Invar®.
  • the nozzle 36 can be positioned at any location on the inside 10' of the container body 'Adjust so that the inside 10' of the container body' 10 can be coated without gaps by means of the thermal spraying process, ie cold gas spraying in this case, and a closed and gas-tight surface coating 16 is thus formed.
  • the surface coating 16 can consist of a single applied layer or of several successively applied layers of the same metal material or of different metal materials. If the container is provided with at least one inner separating floor, which divides the interior of the container into two (or more) separate spaces (e.g. to accommodate different fuel components), then this dividing floor ( "Common bulkhead") provided on at least one of its surfaces (preferably on both surfaces) with a metallic surface coating by the process according to the invention. As a result, both spaces inside the container are or are completely provided with the metallic surface coating on all surfaces of their respective inner side.
  • the wall of the container body can be produced first, possibly already with connecting flanges, and then the metallic surface coating can be sprayed onto the inside of the wall of the container.
  • the method can also be used if the container body is designed in several parts.
  • the individual container parts i.e. individual walls, are first produced and the respective surface coating is sprayed on their respective inner side and then the container parts (walls) are assembled to form a container.
  • 15' fiber core e.g. carbon fiber, aramid fiber, glass fiber

Abstract

The invention relates to a method for coating a wall which has an outer wall layer and at least one metal surface layer, said method having the steps of: a) providing a wall main part which is made of the outer wall layer; b) connecting the outer wall layer to an intermediate layer, which is made of a fiber composite material or has a fiber composite material, in order to form the wall to be coated, wherein at least some of the fibers of the fiber composite material of the intermediate layer have a metal surface, and c) coating the wall on the surface of the intermediate layer, comprising the at least one metal surface layer, facing away from the outer wall layer by means of thermal spraying, preferably by means of cold gas spraying, using a spraying device. Alternatively, the following steps are provided prior to step c): a) applying an intermediate layer or the outer wall layer onto at least one molded body; b1) applying the outer wall layer made of the fiber composite material onto the intermediate layer or applying the intermediate layer onto the outer wall layer and connecting the outer wall layer to the inner intermediate layer in order to form the wall to be coated, wherein at least some of the fibers of the fiber composite material of the intermediate layer have a metal surface; and b2) hardening the wall.

Description

Verfahren zur Beschichtung einer Wandung Process for coating a wall
Diese Patentanmeldung nimmt die Prioritäten aus der deutschen Patentanmeldung 10 2020 127 874.8 vom 22.10.2020, aus der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung 20 2020 106 328.6 vom 22.10.2020 und aus der deutschen Patentanmeldung 10 2020 129 355.0 vom 06.11 .2020 in Anspruch. This patent application claims the priorities from German patent application 10 2020 127 874.8 from October 22, 2020, from German utility model application 20 2020 106 328.6 from October 22, 2020 and from German patent application 10 2020 129 355.0 from November 6, 2020.
TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Wandung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Wandung, die vorzugsweise nach diesem Verfahren hergestellt worden ist. Die Erfindung betrifft in einer speziellen Ausführungsform ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters mit einer solchen Wandung sowie einen vorzugsweise nach diesem Verfahren hergestellten Behälter. Ein technisches Gebiet, in dem diese spezielle, auf die Behälterherstellung gerichtete Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung angewendet wird, ist die Herstellung von Druckbehältern wie beispielsweise Drucktanks. The present invention relates to a method for coating a wall according to the preamble of claim 1 and to a wall which has preferably been produced using this method. In a special embodiment, the invention relates to a method for producing a container with such a wall and a container preferably produced according to this method. A technical field in which this special variant of the method according to the invention directed to the manufacture of containers is applied is the manufacture of pressure vessels such as pressure tanks.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
Es ist häufig erforderlich, einen Wandungskörper mit einer Metalloberfläche zu beschichten. Besonders geeignet dafür ist das thermische Spritzen, bei dem Metall auf eine Oberfläche gespritzt wird und mit dem Material dieser Oberfläche eine mechanische Verbindung eingeht. Neben Verfahren zum thermischen Spritzen, bei denen das Metall in einem geschmolzenen - also heißen - Zustand auf die zu beschichtende Oberfläche auftrifft, hat sich in jüngster Zeit das Kaltgasspritzen etabliert, bei welchem feste Metallpartikel mit hoher kinetischer Energie auf die zu beschichtende Oberfläche aufgespritzt werden, dabei durch die Aufprallenergie aufschmelzen und sich mit dem Material der zu beschichtenden Oberfläche verbinden. It is often necessary to coat a wall body with a metal surface. Thermal spraying, in which metal is sprayed onto a surface and mechanically bonded to the material on this surface, is particularly suitable for this purpose. In addition to thermal spraying processes, in which the metal hits the surface to be coated in a molten - i.e. hot - state, cold gas spraying has recently become established, in which solid metal particles are sprayed onto the surface to be coated with high kinetic energy. by the impact energy melt and combine with the material of the surface to be coated.
Nicht jedes Oberflächenmatenal ist aber für derartige Verfahren des thermischen Spritzens geeignet, da zum Beispiel leicht schmelzbare oder mechanisch empfindliche Oberflächenmaterialien dadurch beeinträchtigt oder beschädigt werden können. Dies ist insbesondere dann unerwünscht, wenn die beeinträchtigte Eigenschaft des Oberflächenmatenals eine für den vorgesehenen Anwendungszweck des Wandungskörpers essentielle Eigenschaft ist, wie zum Beispiel dessen Festigkeit. However, not every surface material is suitable for such thermal spraying processes, since, for example, easily meltable or mechanically sensitive surface materials can be impaired or damaged as a result. This is particularly undesirable when the impaired property of the surface material is a property that is essential for the intended application of the wall body, such as its strength.
Ein besonderes Gebiet, auf dem derartige Wandungen zum Einsatz kommen können, ist die Herstellung von speziellen Druckbehältern aus druckfesten Kunststoffwerkstoffen, so genannten "Composite Overwrapped Pressure Vessels" (COPV). Derartige Behälter werden besonders in der Raumfahrttechnik als Drucktanks, beispielsweise als Treibstoff-Drucktanks, eingesetzt, finden aber auch, zum Beispiel als Treibstoff-Drucktanks, zum Beispiel Wasserstofftanks, bei Land-, Luft- und Wasserfahrzeugen Verwendung. Aus Gewichtsgründen werden derartige Tanks häufig aus Kunststoff, insbesondere aus einem Faserverbundwerkstoff, hergestellt, um die von der Druckdifferenz zwischen dem unter Überdruck stehenden Behälterinneren und der Umgebung, die in der Raumfahrt regelmäßig ein Vakuum ist, erzeugten Kräfte trotz niedrigen Materialgewichts wirksam abstützen zu können. Das gleiche trifft für Behälter zu, deren Innenraum unter Unterdrück gegenüber der Umgebung steht (zum Beispiel Luftfahrzeug-Abwassertanks). Derartige Tanks mit einer Wandung aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff sind aber häufig gegenüber den zu speichernden Gasen oder Flüssigkeiten chemisch nicht resistent oder (insbesondere bei Helium oder Wasserstoff) nicht ausreichend dicht. A special area in which such walls can be used is the production of special pressure vessels made of pressure-resistant plastic materials, so-called "Composite Overwrapped Pressure Vessels" (COPV). Such containers are used particularly in space technology as pressure tanks, for example as fuel pressure tanks, but are also used, for example as fuel pressure tanks, for example hydrogen tanks, in land, air and water vehicles. For reasons of weight, such tanks are often made of plastic, in particular a fiber composite material, in order to be able to effectively support the forces generated by the pressure difference between the pressurized interior of the container and the environment, which is usually a vacuum in space travel, despite the low material weight. The same applies to containers whose interior is under negative pressure compared to the environment (for example aircraft waste water tanks). However, such tanks with a wall made of plastic or a fiber composite material are often not chemically resistant to the gases or liquids to be stored or (especially in the case of helium or hydrogen) are not sufficiently tight.
Daher bestehen solche Drucktanks heute üblicherweise aus einem dünnen metallischen Liner, der mit dem Faserverbundwerkstoff umwickelt und durch Kleben verbunden ist, um den Liner gegen Bersten zu sichern. Ein Problem dabei ist, dass der metallische Liner und der Faserverbundwerkstoff bei den im Weltraum herrschenden großen Temperaturdifferenzen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen und Schrumpfungen unterliegen oder infolge einer Befüllung mit kryogenen Treibstoffen schon bei der Befüllung des Drucktanks starken Temperaturänderungen und -Schwankungen unterworfen sind. Der beispielsweise aus Titan bestehende Liner ist aus Blechen umgeformt (zum Beispiel aus zwei gezogenen Halbkugeln als Dom und einem gebogenen Blech mit Längsnaht als Zylinder) und einschließlich der Anschlussflansche verschweißt. Die Oberfläche des metallischen Liners muss in der Regel vor dem Klebe- und Umwickelungsprozess vorbereitet und mit einem Primer versehen werden, um eine ausreichende Anbindung des Faserverbundwerkstoffs an die Oberfläche des metallischen Liners sicherzustellen. Anschließend wird der zunächst nur vom Liner gebildete Behälter zur Stabilisierung unter Überdruck gesetzt und mit dem Faserverbundwerkstoff umwickelt oder anderweitig umgeben und ausgehärtet. Therefore, such pressure tanks today usually consist of a thin metallic liner, which is wrapped with the fiber composite material and connected by gluing in order to secure the liner against bursting. A problem with this is that the metallic liner and the fiber composite material in space prevailing large temperature differences are subject to different thermal expansions and contractions or are subject to strong temperature changes and fluctuations as a result of filling with cryogenic fuels when the pressure tank is being filled. The liner, for example made of titanium, is formed from sheet metal (for example, two drawn hemispheres as a dome and a bent sheet metal with a longitudinal seam as a cylinder) and welded together with the connecting flanges. The surface of the metallic liner usually has to be prepared and primed before the bonding and wrapping process to ensure adequate bonding of the fiber composite material to the surface of the metallic liner. Subsequently, the container, initially formed only by the liner, is pressurized for stabilization and wrapped with the fiber composite material or otherwise surrounded and cured.
Insbesondere im Falle von Unterdrück im Inneren des Behälters, aber auch bei häufigen Temperaturschwankungen über große Temperaturbereiche, wie sie regelmäßig in der Raumfahrt auftreten, besteht dennoch das Risiko, dass der metallische Liner sich von der ihn umgebenden Struktur der Wandung aus Faserverbundwerkstoff ablöst und kollabiert oder reißt. Especially in the case of negative pressure inside the container, but also in the case of frequent temperature fluctuations over large temperature ranges, as they regularly occur in space travel, there is still a risk that the metallic liner will detach from the surrounding structure of the fiber composite wall and collapse or tears.
Zwar sind die oben genannten thermischen Beschichtungsverfahren des thermischen Spritzen seit langem bekannt, doch werden zur Auskleidung von Behältern, insbesondere von Drucktanks, noch immer die oben beschriebenen Liner aus Metallblech vorgesehen. Although the above-mentioned thermal coating methods of thermal spraying have been known for a long time, the sheet metal liners described above are still provided for lining containers, in particular pressure tanks.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Aus der DE 197 47 384 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern bekannt, bei dem ein beispielsweise aus Kunststoff oder Keramik bestehender Grundkörper durch thermisches Spritzen nach dem Kaltgas-Spritzverfahren mit einer Schicht aus Metall überzogen wird, um die mechanische Stabilität des Grundkörpers zu verstärken oder ihn gasdicht oder vakuumdicht zu machen. Die DE 197 47 386 A1 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum thermischen Beschichten von Substratwerkstoffen, beispielsweise auch von Verbundwerkstoffen, mit zum Beispiel einem Metall oder einer Metall-Legierung mittels Kaltgasspritzens. DE 197 47 384 A1 discloses a method for producing composite bodies, in which a base body made of plastic or ceramic, for example, is coated with a layer of metal by thermal spraying using the cold gas spraying method in order to increase the mechanical stability of the base body or to make it gas-tight or vacuum-tight. DE 197 47 386 A1 also discloses a method for thermally coating substrate materials, for example also composite materials, with a metal or a metal alloy, for example, by means of cold gas spraying.
Aus der CH 538 549 A ist ein Verfahren zur Aufbringung von Oberflächenschutzschichten aus Kunststoff bekannt, bei welchem ein zu beschichtender Körper eine Wandung aus einem Faser-Kunstharz-Kom posit aufweist. Auf dieses Faser-Kunstharz-Kom posit wird zunächst eine Zwischenschicht aus einem Gewebe mit Längs- und Querfäden, die mit dem Kunstharz laminiert sind, aufgebracht. Auf dieser Zwischenschicht wird mittels Flammspritzens eine Oberflächenschutzschicht aus metallischen oder keramischen Stoffen aufgetragen. CH 538 549 A discloses a method for applying protective surface layers made of plastic, in which a body to be coated has a wall made of a fiber-synthetic-resin composite. An intermediate layer of a fabric with longitudinal and transverse threads, which are laminated with the synthetic resin, is first applied to this fiber-synthetic-resin composite. A protective surface layer made of metallic or ceramic materials is applied to this intermediate layer by means of flame spraying.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG PRESENTATION OF THE INVENTION
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Beschichtung einer mit einem Faserverbundwerkstoff versehenen Wandung mit zumindest einer metallischen Oberflächenschicht so auszubilden, dass beim Beschichten der Wandung mittels des thermischen Spritzens die zu beschichtende Oberfläche und die zu dieser Oberfläche gehörende Schicht nicht beeinträchtigt wird und auch beim Aufträgen nur einer sehr dünnen Beschichtungsschicht diese wirksam und zuverlässig an der zu beschichtenden Oberfläche haftet, sowie eine entsprechend beschichtete Wandung anzugeben. Zudem soll ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines eine solche Wandung aufweisenden Behälters angegeben werden, mit dem es erreicht werden kann, dass bei niedrigem Gesamtgewicht eines herzustellenden Behälters dieser auch bei großen Temperatur- und/oder Druckschwankungen zuverlässig gasdicht sowie chemisch inert und resistent ist und bleibt. Auch soll ein entsprechender Behälter angegeben werden. The object of the present invention is to develop a method for coating a wall provided with a fiber composite material with at least one metallic surface layer in such a way that when the wall is coated by means of thermal spraying, the surface to be coated and the layer belonging to this surface are not impaired and also when only a very thin layer of coating is applied, it adheres effectively and reliably to the surface to be coated, and specify a correspondingly coated wall. In addition, a corresponding method for producing a container having such a wall is to be specified, with which it can be achieved that with a low overall weight of a container to be produced, it is and remains reliably gas-tight as well as chemically inert and resistant even with large temperature and/or pressure fluctuations . A corresponding container should also be specified.
Der auf das Verfahren zur Beschichtung einer Wandung gerichtete Teil der Aufgabe wird alternativ gelöst sowohl durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 als auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Ein Verfahren zur Beschichtung einer eine äußere Wandungsschicht aufweisenden Wandung mit zumindest einer metallischen Oberflächenschicht, weist gemäß der ersten Alternative die folgenden Schritte auf: a) Bereitstellen eines von der äußeren Wandungsschicht gebildeten Wandungsgrundkörpers; b) Verbinden der äußeren Wandungsschicht mit einer aus einem Faserverbundwerkstoff gebildeten oder einen Faserverbundwerkstoff aufweisenden Zwischenschicht zur Bildung der zu beschichtenden Wandung, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht eine metallische Oberfläche aufweist, und b) Beschichten der Wandung auf der von der äußeren Wandungsschicht abgewandten Oberfläche der Zwischenschicht mit der zumindest einen metallischen Oberflächenschicht mittels einer Spritzvorrichtung durch thermisches Spritzen. Vorzugsweise erfolgt dies durch Kaltgasspritzen. The part of the task directed towards the method for coating a wall is alternatively achieved both by a method having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 2. According to the first alternative, a method for coating a wall having an outer wall layer with at least one metallic surface layer has the following steps: a) providing a wall base body formed by the outer wall layer; b) connecting the outer wall layer to an intermediate layer formed from a fiber composite material or having a fiber composite material to form the wall to be coated, with at least some of the fibers of the fiber composite material of the intermediate layer having a metallic surface, and b) coating the wall on that of the outer Wall layer facing away from the surface of the intermediate layer with the at least one metallic surface layer by means of a spray device by thermal spraying. This is preferably done by cold gas spraying.
Gemäß der zweiten Alternative wird die in den Schritten a) und b) gebildete zu beschichtende Wandung auf geringfügig abgewandelte Weise erzeugt, wozu anstelle der Schritte a) und b) vor dem Schritt c) die folgenden Schritte vorgesehen sind: a1 ) Aufbringen einer Zwischenschicht oder der äußeren Wandungsschicht auf zumindest einen Formkörper; b1 ) Aufbringen der äußeren Wandungsschicht aus dem Faserverbundwerkstoff auf die Zwischenschicht beziehungsweise Aufbringen der Zwischenschicht auf die äußere Wandungsschicht und Verbinden der äußeren Wandungsschicht mit der inneren Zwischenschicht zur Bildung der zu beschichtenden Wandung, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht eine metallische Oberfläche aufweist; b2) Aushärten der Wandung. According to the second alternative, the wall to be coated formed in steps a) and b) is produced in a slightly modified manner, for which purpose the following steps are provided before step c) instead of steps a) and b): a1) application of an intermediate layer or the outer wall layer on at least one shaped body; b1) applying the outer wall layer made of the fiber composite material to the intermediate layer or applying the intermediate layer to the outer wall layer and connecting the outer wall layer to the inner intermediate layer to form the wall to be coated, with at least some of the fibers of the fiber composite material of the intermediate layer having a metallic surface ; b2) hardening of the wall.
Zur Bildung der zu beschichtenden Wandung wird also entweder dieTo form the wall to be coated is either the
Zwischenschicht auf einen bereitgestellten Wandungsgrundkörper aufgebracht (ersteIntermediate layer applied to a provided wall base (first
Alternative) oder die äußere Wandungsschicht wird auf die vorher auf einen Formkörper aufgetragene Zwischenschicht aufgebracht (erste Variante der zweiten Alternative) oder die Zwischenschicht wird auf die vorher auf einen Formkörper aufgebrachte äußere Wandungsschicht aufgetragen (zweite Variante der zweiten Alternative). Die ersten beiden Schritte der zweiten Alternative können folglich auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, so dass zunächst die äußere Wandungsschicht auf zumindest einen Formkörper aufgebracht wird und anschließend die Zwischenschicht auf den äußeren Wandungskörper aufgebracht wird und dann erst das Aushärten erfolgt. Alternative) or the outer wall layer is on the previously on a The intermediate layer is applied to the shaped body (first variant of the second alternative) or the intermediate layer is applied to the outer wall layer previously applied to a shaped body (second variant of the second alternative). The first two steps of the second alternative can consequently also be carried out in reverse order, so that first the outer wall layer is applied to at least one molded body and then the intermediate layer is applied to the outer wall body and only then does curing take place.
Dadurch, dass bei der zweiten Alternative im Schritt b1 ) die Wandungsschicht auf die im Schritt a1) aufgebrachte und noch nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtete Zwischenschicht aufgebracht wird (oder umgekehrt), verbindet sich das Kunststoffmatenal der Zwischenschicht auf ideale Weise mit dem Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs der äußeren Wandungsschicht und härtet im Schritt b2) gemeinsam zu einer integralen Wandung aus. Nach dem Aushärten wird der Formkörper entfernt und es folgt dann das Beschichten der Wandung gemäß Schritt c). Grundsätzlich ist es aber auch möglich und von der Erfindung umfasst, alternativ zuerst die innere Zwischenschicht auszuhärten, bevor die äußere Wandungsschicht aufgebracht wird. Due to the fact that in the second alternative in step b1) the wall layer is applied to the intermediate layer applied in step a1) and not yet or not fully cured (or vice versa), the plastic material of the intermediate layer is ideally connected to the matrix material of the fiber composite material the outer wall layer and cures together in step b2) to form an integral wall. After curing, the shaped body is removed and the wall is then coated according to step c). In principle, however, it is also possible and covered by the invention to alternatively first cure the inner intermediate layer before the outer wall layer is applied.
VORTEILE BENEFITS
Durch das Spritzen der Oberflächenbeschichtung auf die Zwischenschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wie beispielsweise mittels thermischen Spritzens, insbesondere mittels Kaltgasspritzens, kann diese Oberflächenbeschichtung äußerst dünn und dennoch intensiv haftend auf die Wandung aufgebracht werden und so einen hauchdünnen metallischen Liner bilden. Dies führt nicht nur zu einer deutlichen Masseersparnis gegenüber einer klassischen Metallbeplankung einer solchen Wandung mit einem Metall-Liner aus Blech, sondern erspart auch aufwendige Blechumform-, Schweiß- und Oberflächenvorbereitungsarbeiten. Zudem gewährleistet die intensive Haftung der mittels des thermischen Spritzverfahrens gesprühten Oberflächenbeschichtung eine innige Anbindung der Oberflächenbeschichtung an die Wandung, insbesondere wenn diese aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, und reduziert das Risiko des Ablösens der Oberflächenbeschichtung von der Wandung deutlich, da die Metallpartikel in die Oberfläche der Zwischenschicht eindringen und eine mechanische Formschlussverbindung ausbilden. By spraying the surface coating onto the intermediate layer by means of a thermal spraying process, such as thermal spraying, in particular by means of cold gas spraying, this surface coating can be applied extremely thinly and yet with intensive adhesion to the wall and thus form a wafer-thin metallic liner. This not only leads to a significant saving in mass compared to a classic metal planking of such a wall with a metal liner made of sheet metal, but also saves costly sheet metal forming, welding and surface preparation work. In addition, the intensive adhesion of the surface coating sprayed using the thermal spray process ensures a intimate connection of the surface coating to the wall, especially if this consists of plastic or a fiber composite material, and significantly reduces the risk of the surface coating detaching from the wall, since the metal particles penetrate the surface of the intermediate layer and form a mechanical form-fitting connection.
Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Beplanken mit einem aus Metallblech gefertigten Liner besteht darin, dass im Falle von bei einer Qualitätskontrolle festgestellten Fehlern (zum Beispiel Unterschichtdicke oder Kratzer in der Oberflächenbeschichtung) Reparaturmaßnahmen an der den Liner bildenden Oberflächenbeschichtung durch nochmaliges Spritzen problemlos durchgeführt werden können. Auch sind noch Nachbesserungen umsetzbar, wenn es sich zum Beispiel aufgrund eines Ergebnisses aus einem Qualifikationsversuch herausstellen sollte, dass eventuell lokale Verstärkungen der metallischen Oberflächenschicht erforderlich sind. Another major advantage of the method according to the invention compared to the planking known from the prior art with a liner made of sheet metal is that in the event of defects found during quality control (e.g. thickness of the underlayer or scratches in the surface coating), repair measures can be taken on the liner forming Surface coating can be easily carried out by repeated spraying. Improvements can also be implemented if, for example, the result of a qualification test shows that local reinforcements of the metallic surface layer may be necessary.
Die Ausgestaltung der Zwischenschicht aus oder mit einem Faserverbundwerkstoff mit in Kunstharz laminierten Fasern, von denen zumindest einige der einzelnen Fasern eine metallische Oberflächenschicht aufweisen, sorgt für eine hohe Impakt- Festigkeit der Oberfläche der Fasern, wodurch das Risiko der Beschädigung der einzelnen Fasern beim Auftreffen der während des thermischen Spritzens, besonders während des Kaltgasspritzens, im Schritt c) aufgespritzten Metallpartikel reduziert wird. Die Festigkeit des Wandkörpers wird somit nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt. The design of the intermediate layer from or with a fiber composite material with fibers laminated in synthetic resin, of which at least some of the individual fibers have a metallic surface layer, ensures high impact strength of the surface of the fibers, which reduces the risk of damage to the individual fibers when the metal particles sprayed on during thermal spraying, especially during cold gas spraying, in step c). The strength of the wall body is thus not affected or only slightly affected.
Die Oberflächenbeschichtung mit metallischem Material mittels des thermischen Spritzens im Schritt c) bewirkt durch das (teilweise) Eindringen der auf die metallische Faseroberfläche der Zwischenschicht gespritzten Metallpartikel in das metallische Material eine innige mikroskopisch formschlüssige Gefügeverbindung der metallischen Oberflächenbeschichtung mit den metallischen Faseroberflächen. Zudem ist die Haftung der aufgespritzten Metallpartikel auf der Metalloberfläche der Fasern besser als bei Fasern mit nichtmetallischer Oberfläche. The surface coating with metallic material by means of thermal spraying in step c) causes an intimate microscopic positive structural connection of the metallic surface coating with the metallic fiber surfaces due to the (partial) penetration of the metal particles sprayed onto the metallic fiber surface of the intermediate layer into the metallic material. In addition, the adhesion of the sprayed metal particles on the metal surface of the fibers is better than on fibers with a non-metallic surface.
Die Zwischenschicht, die fest mit der äußeren Wandungsschicht verhaftet ist, schützt die äußere Wandungsschicht, insbesondere die für deren Festigkeit verantwortlichen Fasern, vor einer Beschädigung durch beim thermischen Spritzen auf die Zwischenschicht, beispielsweise auf eine Innenseite eines die Wandung aufweisenden Behälterkorpus', auftreffende und eventuell sogar darin eindringende Metallpartikel. Aufgespritzte Metallpartikel dringen so allenfalls in die Zwischenschicht ein, um sich und damit die metallische Oberflächenbeschichtung in der Zwischenschicht fest zu verankern. The intermediate layer, which is firmly attached to the outer wall layer, protects the outer wall layer, in particular the fibers responsible for its strength, from damage by thermal spraying on the intermediate layer, for example on an inside of a container body having the wall, and possibly even penetrating metal particles. In this way, sprayed-on metal particles penetrate at most into the intermediate layer in order to firmly anchor themselves and thus the metallic surface coating in the intermediate layer.
Damit auch zwischen der äußeren Wandungsschicht und der Zwischenschicht eine ferste Verbindung entsteht, enthält die Matrix der Zwischenschicht vorzugsweise das gleiche Kunststoffmaterial wie die äußere Wandungsschicht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die äußere Wandungsschicht aus einem Faserverbundwerkstoff besteht oder diesen aufweist und wenn das Kunststoffmaterial der Zwischenschicht dem Matrixmaterial dieses Faserverbundwerkstoffs der äußeren Wandungsschicht entspricht. So that a strong connection also occurs between the outer wall layer and the intermediate layer, the matrix of the intermediate layer preferably contains the same plastic material as the outer wall layer. This is particularly advantageous when the outer wall layer consists of or has a fiber composite material and when the plastic material of the intermediate layer corresponds to the matrix material of this fiber composite material of the outer wall layer.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen Verfahren zur Beschichtung einer Wandung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9. Further preferred and advantageous design features of the method according to the invention for coating a wall are the subject matter of dependent claims 2 to 9.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die äußere Wandungsschicht aus einem Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist oder einen solchen aufweist. It is also advantageous if the outer wall layer is formed from a plastic or from a fiber composite material or has such a material.
Bevorzugter Weise weist die Zwischenschicht ein Faserverbundgewebe oder ein Faserverbundgelege auf oder sie ist aus einem Faserverbundgewebe oder einem Faserverbundgelege gebildet. Von besonderem Vorteil ist es auch, wenn zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht einen mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichteten nichtmetallischen Faserkern aufweist. The intermediate layer preferably has a fiber composite fabric or a fiber composite scrim or it is formed from a fiber composite fabric or a fiber composite scrim. It is also of particular advantage if at least some of the individual fibers of the fiber composite material of the intermediate layer have a non-metallic fiber core coated with a metal or a metal alloy.
Dabei ist vorzugsweise zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht mit Kupfer, mit Nickel oder mit einer wärmeausdehnungsinvarianten Legierung von Metallen beschichtet. At least some of the individual fibers of the fiber composite material of the intermediate layer are preferably coated with copper, with nickel or with an alloy of metals that is invariant to thermal expansion.
Von besonderem Vorteil ist es auch, wenn die Zwischenschicht aus einem Faserverbundwerkstoff in Prepreg-Bauweise gebildet wird. It is also of particular advantage if the intermediate layer is formed from a fiber composite material in prepreg construction.
Bei einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Verfahren, die mit anderen Varianten kombinierbar ist, ist der jeweilige Faserverbundwerkstoff ein Kohlefaserverbundwerkstoff, ein Aramidfaserverbundwerkstoff oder ein Glasfaserverbundwerkstoff. In a preferred variant of the method according to the invention, which can be combined with other variants, the respective fiber composite material is a carbon fiber composite material, an aramid fiber composite material or a glass fiber composite material.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit anderen Ausführungsformen des Verfahrens kombinierbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass zur Bildung der Oberflächenbeschichtung zumindest eines der Metalle Aluminium, Titan, Edelstahl, Kupfer oder Nickel und/oder zumindest eine Legierung von Metallen, wie beispielsweise eine Eisen-Nickel-Legierung, vorzugsweise eine wärmeausdehnungsinvariante Eisen-Nickel-Legierung, wie sie beispielsweise unter der geschützten Markenbezeichnung Invar® bekannt ist, mit dem thermischen Spritzverfahren, insbesondere und vorzugsweise durch Kaltgasspritzen, aufgebracht wird. An advantageous embodiment of the respective method according to the invention, which can be combined with other embodiments of the method, is characterized in that at least one of the metals aluminum, titanium, stainless steel, copper or nickel and/or at least one alloy of metals, such as For example, an iron-nickel alloy, preferably an iron-nickel alloy that is invariant to thermal expansion, as is known, for example, under the protected brand name Invar®, is applied by thermal spraying, in particular and preferably by cold gas spraying.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wandung des Wandungsgrundkörpers im Schritt a) aus einem Faserverbundwerkstoff in Prepreg-Bauweise oder in Nassauftragsbauweise gebildet wird. Diese Fertigungsarten der Wandung sorgen für eine hohe mechanische Stabilität, so dass die dünne metallische Oberflächenbeschichtung nahezu keine mechanischen Lasten und/oder Dehnungen aufnehmen muss. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Wandung aus einem duktilen Matrixkunststoff gebildet wird oder diesen aufweist. Hierbei ist das Risiko, dass der Kunststoff in seiner Festigkeit durch das Auftreffen und Eindringen von Metallpartikeln beim thermischen Spritzen, insbesondere beim Kaltgasspritzen, beeinträchtigt wird, deutlich herabgesetzt. It is particularly advantageous if the wall of the wall base body is formed in step a) from a fiber composite material in a prepreg construction or in a wet application construction. These types of wall production ensure high mechanical stability, so that the thin metallic surface coating has to absorb almost no mechanical loads and/or expansions. It can also be advantageous if the wall is formed from or has a ductile matrix plastic. Here, the risk of the plastic being impaired in its strength by the impact and penetration of metal particles during thermal spraying, in particular during cold gas spraying, is significantly reduced.
Dieser Vorteil kann auch erzielt werden, wenn die Wandung als Laminat gebildet wird, insbesondere wenn das Laminat von einem Kurzfaserlaminat gebildet ist oder ein solches aufweist oder wenn dass das Laminat von einem Sheet Molding Compound gebildet ist oder ein solches aufweist. This advantage can also be achieved if the wall is formed as a laminate, in particular if the laminate is formed from or comprises a short fiber laminate or if the laminate is formed from or comprises a sheet molding compound.
Bei beiden alternativen Verfahren der Erfindung wird die Zwischenschicht von einem Faserverbundwerkstoff gebildet oder weist einen solchen auf, wobei der Faserverbundwerkstoff vorzugsweise von einem mit einer Kunststoffmatrix getränkten Faserverbundgewebe gebildet ist, das beispielsweise Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern (zum Beispiel aus Kevlar® oder Nomex®) oder andere Fasern aufweist. Diese Art Zwischenschicht ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die äußere Wandung aus einem Faserverbundwerkstoff mit unidirektionalem Faserverlauf gebildet ist oder einen solchen aufweist. Durch das Vorsehen der Zwischenschicht mit einem Faserverbundgewebe werden die aufgrund des Sprühprozesses auftreffenden Metallpartikel, die mit der Wandung eine dauerhafte Verbindung eingehen, einen besseren Widerhalt aufbauen und gleichzeitig wird das Risiko einer Beschädigung der beispielsweise unidirektional ausgerichteten Fasern der äußeren Wandungsschicht ebenso signifikant reduziert wie ein durch eine mögliche Vorschädigung der unidirektional ausgerichteten Fasern der äußeren Wandungsschicht gebildetes Risiko, da das Faserverbundgewebe der inneren Zwischenschicht auch ohne den Matrix-Kunststoff bereits einen Formschluss bildet und ein zweiachsiges Tragverhalten besitzt. In both alternative methods of the invention, the intermediate layer is formed by a fiber composite material or has such a material, the fiber composite material preferably being formed by a fiber composite fabric impregnated with a plastic matrix, for example carbon fibres, glass fibres, aramid fibers (for example made of Kevlar® or Nomex®) or other fibers. This type of intermediate layer is particularly advantageous when the outer wall is made of a fiber composite material with a unidirectional fiber orientation or has one. By providing the intermediate layer with a fiber composite fabric, the metal particles impacting due to the spraying process, which form a permanent connection with the wall, will build up better resistance and at the same time the risk of damage to the fibers of the outer wall layer, which are oriented unidirectionally, for example, is reduced just as significantly as a through a possible pre-damage of the unidirectionally aligned fibers of the outer wall layer, since the fiber composite fabric of the inner intermediate layer already forms a form fit even without the matrix plastic and has a biaxial load-bearing behavior.
Die Fasern mit der metallischen Oberflächenschicht sind vorzugsweise Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlefasern, die vorzugsweise vor dem Laminieren oder vor der Verarbeitung zu dem betreffenden Faserverbundwerkstoff an ihrer jeweiligen Oberfläche mit einem Metall beschichtet, beispielsweise bedampft, worden ist. Es können aber auch Fasern aus einem anderen Grundmaterial sein, die mit der metallischen Oberflächenschicht versehen sind. The fibers with the metallic surface layer are preferably glass fibers, aramid fibers or carbon fibers, which are preferably before lamination or before Processing to the fiber composite material in question coated on their respective surface with a metal, for example vaporized, has been. But it can also be fibers made of another base material, which are provided with the metallic surface layer.
Zumindest ein Teil der einzelnen Fasern wird vorzugsweise vor dem Herstellen des Fasergewebes, des Fasergewirkes beziehungsweise des Fasergeleges, insbesondere bereits bei oder nach der Herstellung der Fasern, mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet, beispielsweise bedampft oder mittels CVD (chemical vapour deposition) beschichtet. At least some of the individual fibers are preferably coated with a metal or a metal alloy, for example vaporized or by means of CVD (chemical vapor deposition), before the fiber fabric, the fiber knitted fabric or the fiber layer is produced, in particular during or after the production of the fibers. coated.
Der auf die Wandung gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10, nämlich durch eine Wandung mit einer äußeren Wandungsschicht sowie einer auf einer Seite der äußeren Wandungsschicht vorgesehenen und mit dieser verbundenen Zwischenschicht, die aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist oder einen Faserverbundwerkstoff aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht eine metallische Oberfläche aufweist, wobei die von der äußeren Wandungsschicht abgewandte Oberfläche der Zwischenschicht mit zumindest einer durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen, aufgebrachten metallischen Oberflächenschicht versehen ist. The part of the object directed to the wall is achieved by the features of claim 10, namely by a wall with an outer wall layer and an intermediate layer provided on one side of the outer wall layer and connected to it, which is formed from a fiber composite material or has a fiber composite material At least some of the fibers of the fiber composite material of the intermediate layer have a metallic surface, the surface of the intermediate layer facing away from the outer wall layer being provided with at least one metallic surface layer applied by thermal spraying, preferably by cold gas spraying.
Diese Wandung wird dabei bevorzugt nach einem Verfahren der Erfindung hergestellt. Auch wenn es ausreichend ist, wenn nur ein Teil der Fasern, also einige der Fasern, der Zwischenschicht an ihrer jeweiligen Oberfläche metallbeschichtet sind, sind bevorzugterweise alle Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet. This wall is preferably produced using a method of the invention. Even if it is sufficient if only some of the fibers, ie some of the fibers, of the intermediate layer are metal-coated on their respective surface, all fibers of the fiber composite material of the intermediate layer are preferably coated with a metal or a metal alloy.
Vorzugsweise weist der Faserverbundwerkstoff der Zwischenschicht ein Fasergewebe, ein Fasergewirke oder ein Fasergelege mit den metallbeschichteten Fasern auf oder ist aus einem Fasergewebe, einem Fasergewirke oder einem Fasergelege mit den metallbeschichteten Fasern gebildet. Dabei können alle Fasern des Fasergewebes, des Fasergewirkes beziehungsweise des Fasergeleges oder nur einige Fasern mit einer metallischen Oberfläche versehen sein, zum Beispiel metallbeschichtet sein. Vorzugsweise sind im Fall eines Fasergewebes sowohl in eine erste Richtung verlaufende Fasern als auch in eine zweite, im Winkel zur ersten Richtung verlaufende Fasern des Gewebes mit einer metallischen Oberfläche versehen. The fiber composite material of the intermediate layer preferably has a fiber fabric, a fiber fabric or a fiber fabric with the metal-coated fibers or is formed from a fiber fabric, a fiber fabric or a fiber fabric with the metal-coated fibers. All fibers of the fiber fabric, the knitted fabric or the fiber fabric or only some fibers may be provided with a metallic surface, e.g. metal-coated. In the case of a fiber fabric, fibers running in a first direction as well as fibers running in a second direction at an angle to the first direction of the fabric are preferably provided with a metallic surface.
Vorzugsweise ist zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht mit Kupfer, mit Nickel oder mit einer wärmeausdehnungsinvarianten Legierung von Metallen beschichtet. At least some of the individual fibers of the fiber composite material of the intermediate layer are preferably coated with copper, with nickel or with an alloy of metals that is invariant to thermal expansion.
Von Vorteil ist es auch, wenn der Faserverbundwerkstoff ein Kohlefaserverbundwerkstoff, ein Aramidfaserverbundwerkstoff oder ein Glasfaserverbundwerkstoff ist. It is also advantageous if the fiber composite material is a carbon fiber composite material, an aramid fiber composite material or a glass fiber composite material.
Die einzelnen metallbeschichteten Fasern weisen vorzugsweise einen nichtmetallischen Faserkern, beispielsweise aus Glasfaser-, Aramidfaser- oder Kohlefasermaterial, und eine metallische äußere Oberfläche auf, wobei das Metall vorzugsweise Kupfer oder Nickel oder eine wärmeausdehnungsinvariante Legierung von Metallen ist oder aufweist. Es können aber auch andere Metalle oder Metall- Legierungen zur Beschichtung der Fasern vorgesehen sein. The individual metal-coated fibers preferably have a non-metallic fiber core, for example glass fiber, aramid fiber or carbon fiber material, and a metallic outer surface, the metal preferably being or comprising copper or nickel or a thermal expansion-invariant alloy of metals. However, other metals or metal alloys can also be provided for coating the fibers.
Die mit dem thermischen Spritzverfahren aufgetragene metallische Oberflächenschicht der Wandung weist zumindest eines der Metalle Aluminium, Titan, Edelstahl, Kupfer oder Nickel und/oder zumindest eine Legierung von Metallen, wie beispielsweise eine Eisen-Nickel-Legierung, auf. The metallic surface layer of the wall applied using the thermal spraying process has at least one of the metals aluminum, titanium, stainless steel, copper or nickel and/or at least one alloy of metals, such as an iron-nickel alloy.
Das erfindungsgemäße Aufbringen von zumindest einer - vorzugsweise dünnen - metallischen Schicht auf die Wandung aus Faserverbundwerkstoff (FVW) oder aus einem anderen nichtmetallischen Werkstoffe mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Kaltgasspritzens, dient der Verbesserung der Grundeigenschaften des Materials der Wandung. Es werden folgende Grundeigenschaften dadurch verbessert: die chemische Verträglichkeit, zum Beispiel gegenüber flüssigem Sauerstoff; die Permeabilität beziehungsweise Dichtigkeit, zum Beispiel gegenüber Wasserstoff oder Helium; die thermischen Eigenschaften und die mechanischen Eigenschaften. The application according to the invention of at least one - preferably thin - metallic layer to the wall made of fiber composite material (FRP) or another non-metallic material by means of a thermal spraying process, in particular by means of cold gas spraying, serves to improve the basic properties of the material of the wall. This improves the following basic properties: chemical compatibility, for example with liquid oxygen; the permeability or impermeability, for example to hydrogen or helium; the thermal properties and the mechanical properties.
Eine wesentliche, vom Erfinder gelöste technologische Herausforderung bei der Lösung der Aufgabe bestand - neben der Sicherstellung der gewünschten Schichtdicke der Oberflächenbeschichtung und deren Eigenschaften (zum Beispiel Festigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Homogenität etc.) - in der Überwindung von zum Teil widersprüchlichen Anforderungen bezüglich: eines ausreichend guten Haftens der gesprühten metallischen Oberflächenbeschichtung auf der Wandung und der Vermeidung einer Schädigung des Trägermaterials (zum Beispiel des Faserverbundwerkstoffs oder des Kunststoffs der Wandung. A major technological challenge solved by the inventor when solving the task consisted - in addition to ensuring the desired layer thickness of the surface coating and its properties (e.g. strength, surface quality, homogeneity, etc.) - in overcoming partially contradictory requirements with regard to: one sufficient good adhesion of the sprayed metallic surface coating to the wall and avoidance of damage to the carrier material (e.g. the fiber composite material or the plastic of the wall.
Der auf das Verfahren zur Herstellung eines Behälters gerichtete Teil der Aufgabe wird gemäß einer ersten Variante gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und gemäß einer zweiten Variante durch einen Behälter mit den Merkmalen des Anspruchs 17. The part of the object directed to the method for manufacturing a container is achieved according to a first variant by a method for manufacturing a container having the features of claim 16 and according to a second variant by a container having the features of claim 17.
Bei der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Behälters mit einem Behälterkorpus, der eine erfindungsgemäße Wandung aufweist, ist die Wandung gemäß einem der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren gebildet. Der Behälterkorpus ist mit zumindest einer Öffnung versehen und die Zwischenschicht liegt auf der zur Innenseite des Behälterkorpus' weisenden Innenseite der äußeren Wandungsschicht. Das Beschichten der Wandung des Behälterkorpus' mit der zumindest einen metallischen Oberflächenschicht erfolgt auf der zur Innenseite des Behälterkorpus' weisenden Oberfläche der Zwischenschicht mittels einer durch die zumindest eine Öffnung eingeführten Spritzvorrichtung durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen. Diese Verfahrensvariante kommt zum Einsatz, wenn der Behälterkorpus einteilig ausgebildet ist oder wenn ein mehrteiliger Behälterkorpus vor dem Beschichten bereits zusammengebaut worden ist. Dabei kann zuerst der Behälterkorpus, gegebenenfalls bereits mit Anschlussflanschen, gefertigt werden und dann kann die metallische Oberflächenbeschichtung auf die Innenseite des Behälters aufgesprüht werden. In the first variant of the method according to the invention for producing a container with a container body which has a wall according to the invention, the wall is formed according to one of the methods according to the invention described above. The container body is provided with at least one opening and the intermediate layer lies on the inside of the outer wall layer facing the inside of the container body. The wall of the container body is coated with the at least one metallic surface layer on the surface of the intermediate layer facing the inside of the container body by thermal spraying, preferably cold gas spraying, by means of a spraying device inserted through the at least one opening. This variant of the method is used when the container body is designed in one piece or when a multi-part container body has already been assembled before coating. In this case, the container body can be manufactured first, possibly already with connecting flanges, and then the metallic surface coating can be sprayed onto the inside of the container.
Diese Verfahrensvariante zur Herstellung eines Behälters mit einem Behälterkorpus, der eine Wandung aufweist, wobei der Behälterkorpus mit zumindest einer Öffnung versehen ist, weist somit erfindungsgemäß folgende Schritte auf: a) Herstellen des Behälterkorpus' mit einer Wandung, die eine äußere Wandungsschicht aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff sowie eine von einem Faserverbundwerkstoff gebildete innere Zwischenschicht auf der zur Innenseite des Behälterkorpus' weisenden Innenseite der äußeren Wandungsschicht aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der inneren Zwischenschicht mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet ist; b) Beschichten der Wandung des Behälterkorpus' auf der zur Innenseite des Behälterkorpus' weisenden Oberfläche der inneren Zwischenschicht mit zumindest einer metallischen Oberflächenschicht mittels einer durch die Öffnung eingeführten Spritzvorrichtung durch thermisches Spritzen. Vorzugsweise erfolgt dies durch Kaltgasspritzen. According to the invention, this variant of the method for producing a container with a container body that has a wall, the container body being provided with at least one opening, thus has the following steps: a) Manufacturing the container body with a wall that has an outer wall layer made of plastic or a fiber composite material and an inner intermediate layer formed by a fiber composite material on the inside of the outer wall layer facing the inside of the container body, wherein at least some of the fibers of the fiber composite material of the inner intermediate layer are coated with a metal or a metal alloy; b) Coating of the wall of the container body on the surface of the inner intermediate layer facing the inside of the container body with at least one metallic surface layer by thermal spraying using a spraying device inserted through the opening. This is preferably done by cold gas spraying.
Die zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Behälters mit einem mehrteilig aus Behälterteilen ausgebildeten Behälterkorpus, der eine erfindungsgemäße Wandung aufweist, wobei der Behälterkorpus mit zumindest einer Öffnung versehen ist, weist folgende Schritte auf: a) Herstellen der Behälterteile des Behälterkorpus' mit jeweils einer Wandung, die nach einem Verfahren zur Herstellung einer Wandung gemäß der Erfindung gebildet wird, wobei die Zwischenschicht auf der zur Innenseite des Behälterkorpus' weisenden Innenseite der äußeren Wandungsschicht liegt, und wobei das Beschichten der Wandung des jeweiligen Behälterteils des Behälterkorpus' auf der zur Innenseite des Behälterkorpus' weisenden Oberfläche der inneren Zwischenschicht erfolgt, und b) Zusammenbauen der Behälterteile zum Behälter. The second variant of the method according to the invention for producing a container with a multi-part container body made of container parts, which has a wall according to the invention, the container body being provided with at least one opening, has the following steps: a) producing the container parts of the container body, each with one Wall formed by a method for manufacturing a wall according to the invention, wherein the intermediate layer lies on the inside of the outer wall layer facing the inside of the container body, and wherein the coating of the wall of the respective container part of the container body' takes place on the surface of the inner intermediate layer facing the inside of the container body', and b) assembling the container parts to form the container.
Diese alternative Verfahrensvariante ist bevorzugt dann anwendbar, wenn der Behälterkorpus mehrteilig ausgebildet ist. In diesem Fall werden zunächst die einzelnen Behälterteile gefertigt und auf ihrer jeweiligen Innenseite wird die jeweilige Oberflächenbeschichtung aufgesprüht und dann werden die Behälterteile zum Behälter zusammengebaut. This alternative variant of the method can preferably be used when the container body is designed in several parts. In this case, the individual container parts are first manufactured and the respective surface coating is sprayed on their respective inner side and then the container parts are assembled to form the container.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wandung des Behälterkorpus' oder der einzelnen Behälterteile aus einem Faserverbundwerkstoff in Prepreg-Bauweise oder in Nasswickelbauweise gebildet wird. Diese Fertigungsarten der Wandung sorgen für eine hohe mechanische Stabilität, so dass die dünne metallische Oberflächenbeschichtung nahezu keine druckdifferenzbedingten oder temperaturdifferenzbedingten Lasten und/oder Dehnungen aufnehmen muss. It is particularly advantageous if the wall of the container body or of the individual container parts is formed from a fiber composite material in a prepreg construction or in a wet-wound construction. These types of production of the wall ensure high mechanical stability, so that the thin metallic surface coating has to absorb almost no pressure difference-related or temperature difference-related loads and/or expansions.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Wandung des Behälterkorpus' oder der einzelnen Behälterteile aus einem duktilen Matrixkunststoff gebildet wird oder diesen aufweist. Hierbei ist das Risiko, dass der Kunststoff in seiner Festigkeit durch das Auftreffen und Eindringen von Metallpartikeln beim thermischen Spritzen, insbesondere beim Kaltgasspritzen, beeinträchtigt wird, deutlich herabgesetzt. It can also be advantageous if the wall of the container body or of the individual container parts is formed from or has a ductile matrix plastic. Here, the risk of the plastic being impaired in its strength by the impact and penetration of metal particles during thermal spraying, in particular during cold gas spraying, is significantly reduced.
Dieser Vorteil kann auch erzielt werden, wenn die Wandung des Behälterkorpus' als Laminat gebildet wird, insbesondere wenn das Laminat von einem Kurzfaserlaminat gebildet ist oder ein solches aufweist oder wenn dass das Laminat von einem Sheet Molding Compound gebildet ist oder ein solches aufweist. This advantage can also be achieved if the wall of the container body is formed as a laminate, in particular if the laminate is formed from a short-fiber laminate or has one or if the laminate is formed from a sheet molding compound or has one.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundgewebes der inneren Zwischenschicht mit Kupfer, mit Nickel oder mit einer wärmeausdehnungsinvarianten Legierung von Metallen beschichtet sind. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die innere Zwischenschicht ein Faserverbundgewebe aufweist oder aus einem solchen gebildet ist. It is advantageous if at least some of the individual fibers of the fiber composite fabric of the inner intermediate layer are coated with copper, with nickel or with an alloy of metals that is invariant to thermal expansion. It is of particular advantage if the inner intermediate layer has a fiber composite fabric or is formed from such a fabric.
Vorzugsweise wird die Wandung des Behälterkorpus' beziehungsweise des jeweiligen Behälterteils aus einem Faserverbundwerkstoff in folgenden Teilschritten gebildet: a1 ) Aufbringen der inneren Zwischenschicht auf zumindest einen Formkörper; a2) Aufbringen der äußeren Wandungsschicht aus dem Faserverbundwerkstoff auf die innere Zwischenschicht; a3) Aushärten der Wandung. The wall of the container body or of the respective container part is preferably formed from a fiber composite material in the following partial steps: a1) applying the inner intermediate layer to at least one shaped body; a2) applying the outer wall layer made of the fiber composite material to the inner intermediate layer; a3) hardening of the wall.
Dadurch, dass im Schritt a2) die Wandungsschicht auf die im Schritt a1 ) aufgebrachte und noch nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtete Zwischenschicht aufgebracht wird, verbindet sich das Kunststoffmaterial der Zwischenschicht - wie bereits bei der ersten Variante - auf ideale Weise mit dem Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs der äußeren Wandungsschicht und härtet im Schritt a3) gemeinsam zu einer integralen Wandung aus. Nach dem Aushärten wird der Formkörper aus dem so gebildeten Behälterkorpus entfernt, zum Beispiel herausgeschmolzen, zerlegt oder entspannt, und es folgt dann das Beschichten der Wandung von innen. Grundsätzlich ist es aber auch möglich und von der Erfindung umfasst, alternativ zuerst die innere Zwischenschicht auszuhärten, bevor die äußere Wandungsschicht aufgebracht wird. Because in step a2) the wall layer is applied to the intermediate layer that was applied in step a1) and has not yet or not yet fully cured, the plastic material of the intermediate layer—as in the first variant—combines in an ideal manner with the matrix material of the fiber composite material the outer wall layer and cures together in step a3) to form an integral wall. After curing, the shaped body is removed from the container body formed in this way, for example melted out, dismantled or stress-relieved, and the wall is then coated from the inside. In principle, however, it is also possible and covered by the invention to alternatively first cure the inner intermediate layer before the outer wall layer is applied.
Vorzugsweise wird auch hier die innere Zwischenschicht von einem mit einer Kunststoffmatrix getränkten Faserverbundgewebe gebildet, das beispielsweise Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern (zum Beispiel aus Kevlar® oder Nomex®) oder andere Fasern aufweist. Diese Art Zwischenschicht ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die äußere Wandung aus einem Faserverbundwerkstoff mit unidirektionalem Faserverlauf gebildet ist oder einen solchen aufweist. Durch das Vorsehen der Zwischenschicht mit einem Faserverbundgewebe werden die aufgrund des Sprühprozesses auftreffenden Metallpartikel, die mit der Wandung eine dauerhafte Verbindung eingehen müssen, einen besseren Widerhalt aufbauen und gleichzeitig wird das Risiko einer Beschädigung der unidirektional ausgerichteten Fasern der äußeren Wandungsschicht ebenso signifikant reduziert wie ein durch eine mögliche Vorschädigung der unidirektional ausgerichteten Fasern der äußeren Wandungsschicht gebildetes Risiko, da das Faserverbundgewebe der inneren Zwischenschicht auch ohne den Matrix-Kunststoff bereits einen Formschluss bildet und ein zweiachsiges Tragverhalten besitzt. Here, too, the inner intermediate layer is preferably formed by a fiber composite fabric impregnated with a plastic matrix, which has, for example, carbon fibers, glass fibers, aramid fibers (for example made of Kevlar® or Nomex®) or other fibers. This type of intermediate layer is particularly advantageous when the outer wall is made of a fiber composite material with a unidirectional fiber orientation or has one. By providing the intermediate layer with a fiber composite fabric, the metal particles that hit the spray process and have to form a permanent connection with the wall will build up better resistance and At the same time, the risk of damage to the unidirectionally aligned fibers of the outer wall layer is reduced just as significantly as a risk formed by possible previous damage to the unidirectionally aligned fibers of the outer wall layer, since the fiber composite fabric of the inner intermediate layer already forms a form fit and a has biaxial load-bearing behavior.
Besonders bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Behälters angewendet, wenn der Faserverbundwerkstoff ein Kohlefaserverbundwerkstoff oder ein Glasfaserverbundwerkstoff ist. The methods according to the invention for producing a container are particularly preferably used when the fiber composite material is a carbon fiber composite material or a glass fiber composite material.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Behälters, die mit anderen Ausführungsformen des Verfahrens kombinierbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass zur Bildung der Oberflächenbeschichtung zumindest eines der Metalle Aluminium, Titan, Edelstahl, Kupfer oder Nickel und/oder zumindest eine Legierung von Metallen, wie beispielsweise Eisen-Nickel- Legierungen, vorzugsweise wärmeausdehnungsinvariante Eisen-Nickel- Legierungen, wie sie beispielsweise unter der geschützten Markenbezeichnung Invar® bekannt sind, mit dem thermischen Spritzverfahren, insbesondere durch Kaltgasspritzen, aufgebracht wird,. An advantageous embodiment of the method according to the invention for producing a container, which can be combined with other embodiments of the method, is characterized in that at least one of the metals aluminum, titanium, stainless steel, copper or nickel and/or at least one alloy of Metals, such as iron-nickel alloys, preferably iron-nickel alloys that are invariant to thermal expansion, as are known, for example, under the protected brand name Invar®, are applied using the thermal spraying process, in particular cold gas spraying.
Der auf den Behälter gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 18, nämlich durch einen Behälter mit einem Behälterkorpus, der eine erfindungsgemäß gebildete Wandung mit einer äußeren Wandungsschicht aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff sowie einer von einem Faserverbundwerkstoff gebildeten inneren Zwischenschicht auf der zur Innenseite des Behälterkorpus' weisenden Innenseite der äußeren Wandungsschicht aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der inneren Zwischenschicht mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet ist, wobei die zur Innenseite des Behälterkorpus' weisende Oberfläche der inneren Zwischenschicht mit zumindest einer durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Kaltgasspritzen, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beschichtung aufgebrachten metallischen Oberflächenschicht versehen ist. Auch wenn nur ein Teil der Fasern, also einige der Fasern, der inneren Zwischenschicht an ihrer jeweiligen Oberfläche metallbeschichtet sein können, sind bevorzugterweise alle Fasern des Faserverbundwerkstoffs der inneren Zwischenschicht mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet. The part of the object directed to the container is achieved by the features of claim 18, namely by a container with a container body which has a wall formed according to the invention with an outer wall layer made of plastic or of a fiber composite material and an inner intermediate layer formed of a fiber composite material on the has the inside of the outer wall layer pointing towards the inside of the container body, at least some of the fibers of the fiber composite material of the inner intermediate layer being coated with a metal or a metal alloy, the surface of the inner intermediate layer pointing towards the inside of the container body having at least one through thermal spraying, in particular by cold gas spraying, by means of the coating method according to the invention applied metallic surface layer is provided. Even if only some of the fibers, ie some of the fibers, of the inner intermediate layer can be metal-coated on their respective surface, all fibers of the fiber composite material of the inner intermediate layer are preferably coated with a metal or a metal alloy.
Vorzugsweise weist der Faserverbundwerkstoff der inneren Zwischenschicht der Behälterwandung ein Faserverbundgewebe, ein Faserverbundgewirke oder ein Faserverbundgelege mit den metallbeschichteten Fasern auf oder besteht aus einem solchen Faserverbundgewebe, Faserverbundgewirke oder Faserverbundgelege. Dabei können alle Fasern des Fasergewebes oder Fasergewirkes oder nur einige Fasern metallbeschichtet sein. Vorzugsweise sind im Fall eines Fasergewebes sowohl in eine erste Richtung verlaufende Fasern als auch in eine zweite, im Winkel zur ersten Richtung verlaufende Fasern des Gewebes metallbeschichtet. The fiber composite material of the inner intermediate layer of the container wall preferably has a fiber composite fabric, a fiber composite fabric or a fiber composite fabric with the metal-coated fibers or consists of such a fiber composite fabric, fiber composite fabric or fiber composite fabric. All fibers of the woven or knitted fabric or only some fibers can be metal-coated. Preferably, in the case of a fibrous fabric, fibers running in a first direction as well as fibers running in a second direction at an angle to the first direction of the fabric are metal-coated.
Die einzelnen Fasern werden vor dem Herstellen des Fasergewebes oder Fasergewirkes mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet, beispielsweise bedampft oder mittels CVD (chemical vapour deposition) beschichtet. Die einzelnen metallbeschichteten Fasern weisen einen nichtmetallischen Faserkern, beispielsweise aus Glasfaser- oder Kohlefasermatenal, und eine metallische äußere Oberfläche auf, wobei das Metall vorzugsweise Kupfer oder Nickel oder eine wärmeausdehnungsinvariante Legierung von Metallen ist oder aufweist. Es können aber auch andere Metalle oder Metall-Legierungen zur Beschichtung der Fasern vorgesehen sein. The individual fibers are coated with a metal or a metal alloy before the woven or knitted fabric is produced, for example vaporized or coated by means of CVD (chemical vapor deposition). The individual metal-coated fibers have a non-metallic fiber core, for example glass fiber or carbon fiber materials, and a metallic outer surface, the metal preferably being or comprising copper or nickel or a thermally expansion-invariant alloy of metals. However, other metals or metal alloys can also be provided for coating the fibers.
Insbesondere bildet der erfindungsgemäße Behälter einen Drucktank, der beispielsweise in der Raumfahrttechnik als Satelliten- oder Raketentank Verwendung findet. Ebenso kann der erfindungsgemäße Behälter als Drucktank für Treibstoffe in Land-, Luft- oder Wasserfahrzeugen eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Behälter kann aber auch als Drucktank für Atemgase eingesetzt werden, wie er beispielsweise für so genannte 'Weltraumspaziergänge" (Extra Vehicular Activities - EVA) in oder an Raumanzügen oder auf der Erde beim Tauchen oder für Atem schutzzwecke und zur Atem luftversorgung bei der Feuerwehr, beim Militär oder im Katastrophenschutz benötigt wird. In particular, the container according to the invention forms a pressure tank that is used, for example, in space technology as a satellite tank or rocket tank. Likewise, the container according to the invention can be used as a pressure tank for fuels in land, air or water vehicles. The container according to the invention can also be used as a pressure tank for breathing gases, such as for so-called 'space walks' (Extra Vehicular Activities - EVA) in or on space suits or on earth when diving or for Respiratory protection purposes and for breathing air supply is required by the fire brigade, the military or civil protection.
Durch das Sprühen der Oberflächenbeschichtung auf die Wandung, hier auf die Innenseite der Wandung des Behälters, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wie beispielsweise mittels thermischen Spritzens, insbesondere mittels Kaltgasspritzens, kann diese Oberflächenbeschichtung äußerst dünn und dennoch intensiv haftend auf die Wandung (hier des Behälters) aufgebracht werden und so einen hauchdünnen metallischen Liner bilden. Dies führt nicht nur zu einer deutlichen Masseersparnis gegenüber der klassischen Fertigung eines Behälters mit einem Metall-Liners aus Blech, sondern erspart auch aufwendige Blechumform-, Schweiß- und Oberflächenvorbereitungsarbeiten. Zudem gewährleistet die intensive Haftung der mittels des thermischen Spritzverfahrens gesprühten Oberflächenbeschichtung eine innige Anbindung der Oberflächenbeschichtung an die Wandung des Behälters, insbesondere wenn diese aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, und reduziert das Risiko des Ablösens der Oberflächenbeschichtung von der Behälterwandung deutlich, da die Metallpartikel in die Oberfläche der Behälterwandung eindringen und eine mechanische Formschlussverbindung ausbilden. By spraying the surface coating onto the wall, here on the inside of the wall of the container, using a thermal spraying process, such as thermal spraying, in particular using cold gas spraying, this surface coating can be extremely thin and yet strongly adherent to the wall (here the container). applied to form a wafer-thin metallic liner. This not only leads to a significant saving in mass compared to the classic production of a container with a metal liner made of sheet metal, but also saves costly sheet metal forming, welding and surface preparation work. In addition, the intensive adhesion of the surface coating sprayed by means of the thermal spraying process ensures an intimate connection of the surface coating to the wall of the container, especially if it is made of plastic or a fiber composite material, and significantly reduces the risk of the surface coating detaching from the container wall, since the metal particles penetrate the surface of the container wall and form a mechanical form-fitting connection.
Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Auskleiden eines Behälters mit einem aus Metallblech gefertigten Liner besteht darin, dass im Falle von bei einer Qualitätskontrolle festgestellten Fehlern (zum Beispiel Unterwanddicke oder Kratzer in der Oberflächenbeschichtung) Reparaturmaßnahmen an der den Liner bildenden Oberflächenbeschichtung durch nochmaliges Spritzen problemlos durchgeführt werden können. Auch sind noch Nachbesserungen umsetzbar, wenn es sich zum Beispiel aufgrund eines Ergebnisses aus einem Qualifikationsversuch herausstellen sollte, dass eventuell lokale Verstärkungen des metallischen Liners am späteren Flugmodell erforderlich sind. Die Zwischenschicht auf der Behälterinnenseite, die fest mit der äußeren Wandungsschicht verhaftet ist, schützt die äußere Wandungsschicht, insbesondere die für deren Festigkeit verantwortlichen Fasern (zum Beispiel die metallbeschichteten Kohlefasern oder Glasfasern) vor einer Beschädigung durch beim thermischen Spritzen auf die Innenseite des Behälterkorpus' auftreffende und eventuell sogar darin eindringende Metallpartikel. Aufgespritzte Metallpartikel dringen so allenfalls in die Zwischenschicht ein, um sich und damit die metallische Oberflächenbeschichtung in der Zwischenschicht fest zu verankern. Another major advantage of the method according to the invention compared to the lining of a container with a liner made of sheet metal known from the prior art is that in the event of defects found during quality control (e.g. lower wall thickness or scratches in the surface coating), repair measures can be taken on the den Liner-forming surface coating can be easily carried out by repeated spraying. Improvements can also be implemented if, for example, the result of a qualification test shows that local reinforcements of the metallic liner on the later flight model may be necessary. The intermediate layer on the inside of the container, which is firmly attached to the outer wall layer, protects the outer wall layer, in particular the fibers responsible for its strength (e.g. the metal-coated carbon fibers or glass fibers) from damage caused by thermal spraying impacting the inside of the container body and possibly even metal particles penetrating into it. In this way, sprayed-on metal particles penetrate at most into the intermediate layer in order to firmly anchor themselves and thus the metallic surface coating in the intermediate layer.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Es zeigt: It shows:
Fig. 1 Einen teilweise geschnittenen Behälterkorpus mit einer erfindungsgemäßen Wandung beim Schritt der Beschichtung gemäß einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und 1 shows a partially sectioned container body with a wall according to the invention during the coating step according to an advantageous variant of the method according to the invention and
Fig. 2 den geschnitten dargestellten Behälterkorpus aus Fig. 1 beim Schritt der Beschichtung der Wandung mittels Kaltgasspritzens. FIG. 2 shows the container body shown in section from FIG. 1 during the step of coating the wall by means of cold gas spraying.
DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN ILLUSTRATION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung einer Wandung 12 sowie die erfindungsgemäße Wandung 12 werden nachstehend beispielhaft anhand der Wandung 12 eines Behälters 1 , beispielsweise eines Druckbehälters für einen gasförmigen Treibstoff, beschrieben. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Wandung sind jedoch unabhängig vom Einsatz- und Verwendungszweck der Wandung 12 und nicht auf die Wandung eines Behälters, wie beispielsweise eines Drucktanks, beschränkt. Insofern ist der hier gezeigte Behälter 1 nur eines von vielen Beispielen mit einer wie nachstehend beschrieben aufgebauten und beschichteten Wandung. In Fig. 1 ist ein Behälterkorpus 10 eines Behälters 1 in der Phase der Fertigung des Behälterkorpus' 10 dargestellt. Die Wandung 12 des Behälterkorpus' 10 besteht aus einer äußeren Wandungsschicht 13, die im gezeigten Beispiel aus einem Faserverbundwerkstoff mit unidirektional ausgerichteten Fasern mit einer Kreuzwicklung besteht, und einer auch als Zwischenschicht 14 bezeichneten inneren Wandungsschicht, die ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, dessen Matrixmaterial im Wesentlichen dem Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffs der äußeren Wandungsschicht 13 entspricht. The method according to the invention for coating a wall 12 and the wall 12 according to the invention are described below by way of example using the wall 12 of a container 1, for example a pressure container for a gaseous fuel. However, the method according to the invention and the wall according to the invention are independent of the application and intended use of the wall 12 and are not limited to the wall of a container, such as a pressure tank. In this respect, the container 1 shown here is just one of many examples with a wall constructed and coated as described below. 1 shows a container body 10 of a container 1 in the phase of manufacturing the container body 10 . The wall 12 of the container body 10 consists of an outer wall layer 13, which in the example shown consists of a fiber composite material with unidirectionally aligned fibers with a cross winding, and an inner wall layer, also referred to as an intermediate layer 14, which also consists of a fiber composite material, the matrix material of which is Essentially the matrix material of the fiber composite material of the outer wall layer 13 corresponds.
Zur Fertigung des Behälterkorpus' 10 wird zunächst ein Formkörper 2 bereitgestellt, auf den die innere Wandungsschicht 14 aufgetragen wird. Die innere Wandungsschicht 14 weist einen Faserverbundwerkstoff, beispielsweise ein Faserverbundgewebe oder Faserverbundgewirke mit einem flüssigen, aushärtbaren Kunststoff als Matrixmaterial auf, der beispielsweise zunächst auf den — vorzugsweise mit einem Trennmittel versehenen — Formkörper 2 aufgestrichen oder aufgesprüht wird und auf den dann das Faserverbundgewebe oder Faserverbundgewirke aufgebracht wird. Das Faserverbundgewebe oder Faserverbundgewirke kann aber beispielsweise auch in Form von so genannten Prepregs vorliegen und im unausgehärteten Zustand auf den Formkörper 2 aufgelegt werden. Die auch als Zwischenschicht 14 bezeichnete Wandungsschicht bildet somit als Faserverbundschicht eine geschlossene, die Oberfläche 2' des Formkörpers 2 umhüllende Kunststoffschicht. To manufacture the container body 10, a molded body 2 is first provided, to which the inner wall layer 14 is applied. The inner wall layer 14 has a fiber composite material, for example a fiber composite fabric or fiber composite fabric with a liquid, hardenable plastic as the matrix material, which, for example, is first brushed or sprayed onto the molded body 2 — preferably provided with a release agent — and to which the fiber composite fabric or fiber composite fabric is then applied will. However, the fiber composite fabric or fiber composite knitted fabric can also be present, for example, in the form of so-called prepregs and can be placed on the shaped body 2 in the uncured state. The wall layer, which is also referred to as the intermediate layer 14, thus forms, as a fiber composite layer, a closed plastic layer encasing the surface 2' of the molded body 2.
So lange die Zwischenschicht 14 noch nicht oder noch nicht vollständig ausgehärtet ist, wird auf die die innere Wandungsschicht bildende Zwischenschicht 14 eine äußere Wandungsschicht 13 aus einem weiteren Faserverbundmaterial mit unidirektional ausgerichteten Fasern aufgebracht, vorzugsweise wird der mit der Zwischenschicht 14 versehene Formkörper 2 mit diesem unidirektionalen Faserverbundmaterial umwickelt. Da die Kunststoffmatrix des Faserverbundmaterials der äußeren Wandungsschicht 13 im Wesentlichen dem Matrixmaterial der Zwischenschicht 14 entspricht — vorzugsweise wird hier der gleiche Kunststoff verwendet — gehen die beiden Wandungsschichten 13, 14 eine enge Verbindung ein und vernetzen im Idealfall miteinander. As long as the intermediate layer 14 has not yet cured or has not yet fully cured, an outer wall layer 13 made of another fiber composite material with unidirectionally aligned fibers is applied to the intermediate layer 14 forming the inner wall layer wrapped in fiber composite material. Since the plastic matrix of the fiber composite material of the outer wall layer 13 essentially corresponds to the matrix material of the intermediate layer 14—the same plastic is preferably used here used - the two wall layers 13, 14 form a close connection and ideally network with one another.
Um einen Zugang zu dem späteren hohlen Behälterkorpus 10 zu schaffen, kann im Zuge der Herstellung der beiden Wandungsschichten 13, 14 ein mit einer Durchgangsöffnung 11' versehener Anschlussflansch 11 in die Wandung 12 des Behälterkorpus' 10 mit einlaminiert werden. Im gezeigten Beispiel ist an der Unterseite des in Fig. 1 dargestellten Behälterkorpus' 10 ein solcher Anschlussflansch 11 vorgesehen. Dieser Anschlussflansch kann beispielsweise aus einem Metall oder ebenfalls aus Kunststoff, Faserverbundwerkstoff oder auch aus Keramik bestehen. In order to provide access to the subsequent hollow container body 10, a connecting flange 11 provided with a through-opening 11' can be laminated into the wall 12 of the container body 10 during the production of the two wall layers 13, 14. In the example shown, such a connecting flange 11 is provided on the underside of the container body 10 shown in FIG. This connection flange can consist, for example, of a metal or likewise of plastic, fiber composite material or also of ceramic.
Nachdem die Wandung 12 in der beschriebenen Weise über dem Formkörper 2 aufgebaut worden ist, wird der Behälterkorpus 10 in dem Fachmann an sich bekannter Weise ausgehärtet. Nach dem Aushärten wird der Formkörper 2 durch die Öffnung 11' im Anschlussflansch 11 aus dem Inneren des Behälterkorpus' 10 entfernt, beispielsweise wird der Formkörper 2 aus dem Behälterkorpus 10 herausgeschmolzen. After the wall 12 has been built up over the shaped body 2 in the manner described, the container body 10 is cured in a manner known per se to a person skilled in the art. After curing, the shaped body 2 is removed from the interior of the container body 10 through the opening 11 ′ in the connecting flange 11 , for example the shaped body 2 is melted out of the container body 10 .
Der auf diese Weise gefertigte hohle Behälterkorpus 10 wird anschließend dem in Verbindung mit Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Beschichtungsvorgang unterworfen, bei welchem auf die Innenseite 10' des Behälterkorpus' 10, also auf die zum Innenraum 10" des Behälters 1 weisende innere Oberfläche 14' der die Zwischenschicht 14 bildenden inneren Wandungsschicht eine Oberflächenbeschichtung 16 mittels eines thermischen Spritzverfahrens, im gezeigten Beispiel mittels Kaltgasspritzens, aufgetragen wird. The hollow container body 10 manufactured in this way is then subjected to the coating process according to the invention shown in connection with FIG the inner wall layer forming the intermediate layer 14 is applied with a surface coating 16 by means of a thermal spraying process, in the example shown by means of cold gas spraying.
In Fig. 2 ist der in Fig. 1 gezeigte Behälterkorpus 10 mit dem Anschlussflansch 11 nach oben aufgerichtet dargestellt, wobei der Behälter 1 mittels Stützen S auf einem Untergrund stabil stehend abgestützt ist. Der Behälter 1 ist in einem Vertikalschnitt dargestellt, um den Vorgang des Beschichtens der Innenseite 10' des Behälterkorpus' 10 zeigen zu können. In Fig. 2 ist zu erkennen, wie der Anschlussflansch 11 , der beispielsweise aus Metall besteht, in die Wandung 12 des Behälterkorpus' 10 einlaminiert und fest mit der Wandung 12 verbunden ist. Beispielsweise ist der Anschlussflansch 11 mit seinem Kragen zwischen der inneren Wandungsschicht 14 und der äußeren Wandungsschicht 13 durch Laminieren verankert. Alternativ kann der Kragen des Anschlussflansches 11 aber auch auf seiner Außenseite mit der inneren Wandungsschicht 14 und der äußeren Wandungsschicht 13 belegt sein. In FIG. 2, the container body 10 shown in FIG. 1 is shown with the connecting flange 11 erected upwards, the container 1 being stably supported by means of supports S on a base. The container 1 is shown in a vertical section in order to be able to show the process of coating the inside 10 ′ of the container body 10 . In FIG. 2 it can be seen how the connecting flange 11 , which consists for example of metal, is laminated into the wall 12 of the container body 10 and firmly connected to the wall 12 . For example, the connecting flange 11 is anchored with its collar between the inner wall layer 14 and the outer wall layer 13 by lamination. Alternatively, the collar of the connection flange 11 can also be covered on its outside with the inner wall layer 14 and the outer wall layer 13 .
Durch die Öffnung 11' des Anschlussflansches 11 ist von oben eine Spritzvorrichtung 3 für ein thermisches Spritzverfahren in den Innenraum 10" des Behälterkorpus' 10 eingeführt. Die Spritzvorrichtung 3 umfasst eine Führungsstange 30, die durch einen (nicht gezeigten) Steuerungs- und Führungsmechanismus in Vertikalrichtung bewegbar ist, wie durch den Doppelpfeil V in Fig. 2 verdeutlicht ist, und die mittels des Betätigungs- und Steuermechanismus' um ihre Achse X in beide Richtungen drehbar ist, wie es durch den Rotationsdoppelpfeil R in Fig. 2 symbolisiert ist. A spraying device 3 for a thermal spraying process is introduced from above through the opening 11 ′ of the connecting flange 11 into the interior 10″ of the container body 10. The spraying device 3 comprises a guide rod 30 which is controlled by a control and guide mechanism (not shown) in the vertical direction is movable, as illustrated by the double-headed arrow V in FIG. 2, and which can be rotated about its axis X in both directions by means of the actuating and control mechanism, as is symbolized by the double-headed arrow R in FIG.
Am unteren, in den Behälterkorpus 10 hineinragenden Ende der Führungsstange 30 ist mittels eines Schwenkgelenks 32, welches um eine rechtwinklig auf der Achse X der Führungsstange 30 stehende Querachse Y schwenkbar ist, eine Spritzeinheit 34 für das thermische Spritzverfahren schwenkbar angebracht. Eine ebenfalls durch die Öffnung 1 T des Anschlussflansches 11 in den Innenraum 10" des Behälterkorpus' 10 geführte Versorgungsschlaucheinheit 35 ist mit der Spritzeinheit 34 funktional gekoppelt und verbindet die Spritzeinheit 34 mit (nicht gezeigten) Versorgungsquellen für ein Arbeitsgas und mit einem Vorrat von pulverförmigen Partikeln, im vorliegenden Fall pulverförmigen Metallpartikeln, die von der Spritzvorrichtung 3 auf die zum Innenraum 10" weisende Oberfläche 14' der Zwischenschicht 14 auf der Innenseite 10' des Behälterkorpus' 10 gespritzt werden. Die Versorgungsschlaucheinheit 35 weist dazu einen Arbeitsgasschlauch 35' sowie einen Partikeltransportschlauch 35" auf. Die Spritzeinheit 34 weist zumindest eine Spritzdüse 36 auf, durch die Metallmaterial mittels eines Spritzstrahls 38 auf die Innenseite 10' des Behälterkorpus, nämlich auf die innere Oberfläche 14' der Zwischenschicht 14 in einer Beschichtungsschicht 18 oder in mehreren Beschichtungsschichten aufgetragen werden kann, wodurch die Oberflächenbeschichtung 16 gebildet wird. At the lower end of the guide rod 30 protruding into the container body 10, an injection unit 34 for the thermal spraying process is pivotably attached by means of a pivot joint 32 which can be pivoted about a transverse axis Y perpendicular to the axis X of the guide rod 30. A supply hose unit 35, which is also routed through the opening 1 T of the connecting flange 11 into the interior 10" of the container body 10, is functionally coupled to the injection unit 34 and connects the injection unit 34 to supply sources (not shown) for a working gas and to a supply of powdered particles , in the present case powdered metal particles, which are sprayed by the spraying device 3 onto the surface 14' of the intermediate layer 14 on the inside 10' of the container body 10, which surface faces the interior space 10''. For this purpose, the supply hose unit 35 has a working gas hose 35' and a particle transport hose 35". The spray unit 34 has at least one spray nozzle 36, through which metal material is sprayed by means of a spray jet 38 onto the inside 10' of the container body, namely onto the inner surface 14' of the Intermediate layer 14 may be applied in one coating layer 18 or in multiple coating layers, whereby surface coating 16 is formed.
Im gezeigten Beispiel der vorliegenden Erfindung ist die Spritzeinheit 34 eine an sich bekannte Einheit zum Kaltgasspritzen. Beim Kaltgasspritzverfahren zur Beschichtung von Oberflächen wird ein der Spritzeinheit 34 zugeführtes Arbeitsgas zunächst komprimiert und erwärmt und anschließend durch Entspannen in der Spritzdüse 36 beschleunigt, wobei in den Gasstrahl eingeleitete Partikel, im vorliegenden Fall Metallpartikel, auf ein, vorzugsweise vorher aufgeheiztes, Substrat — im vorliegenden Fall auf die Oberfläche 14' der Zwischenschicht 14 — geschossen werden. Dort dringen die Partikel teilweise in die zu beschichtende Oberfläche 14' ein und verankern so die aufgebrachte Beschichtungsschicht 18 der Oberflächenbeschichtung 16 in der die innere Wandungsschicht bildenden Zwischenschicht 14. In the example of the present invention shown, the spraying unit 34 is a known unit for cold gas spraying. In the cold gas spraying process for coating surfaces, a working gas supplied to the spraying unit 34 is first compressed and heated and then accelerated by expanding it in the spray nozzle 36, with particles introduced into the gas jet, in the present case metal particles, falling on a preferably previously heated substrate - in the present case Fall on the surface 14' of the intermediate layer 14 - be shot. There, the particles penetrate partially into the surface 14' to be coated and thus anchor the applied coating layer 18 of the surface coating 16 in the intermediate layer 14 forming the inner wall layer.
Der Schichtenaufbau der erfindungsgemäßen Wandung 12 mit der auf den von der äußeren Wandungsschicht 13 gebildeten Wandungsgrundkörper 12', der mit dieser verbundenen Zwischenschicht 14 aus dem Gewebe mit Fasern 15 mit einer metallischen Oberflächenschicht 15" (Einzelheit B) und der mittels des Kaltgasspritzens auf die Zwischenschicht 14 aufgebrachten, die Oberflächenbeschichtung 16 bildenden Beschichtungsschicht 18 ist in der vergrößerten Darstellung der Einzelheit A in Fig. 2 gut zu erkennen. The layer structure of the wall 12 according to the invention with the wall base body 12' formed by the outer wall layer 13, the intermediate layer 14 connected to this made of the fabric with fibers 15 with a metallic surface layer 15" (detail B) and by means of cold gas spraying onto the intermediate layer 14 applied, the surface coating 16 forming coating layer 18 can be seen in the enlarged view of detail A in Fig. 2 well.
Die Einzelheit B in Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Zwischenschicht 14 in Richtung des Pfeils B. Die Oberfläche 14' der Zwischenschicht 14 wird vorwiegend durch die Kunststoff matrix gebildet, die die Fasern 15 des hier als Gewebe dargestellten Faserverbunds der Zwischenschicht 14 bedeckt. Die einzelnen Fasern 15 weisen einen Faserkern 15', beispielsweise aus Kohlefaser-, Aramidfaser- oder Glasfasermaterial, auf, der an seiner Oberfläche mit einem Metall beschichtet, beispielsweise bedampft, ist, sodass die einzelnen Fasern des Gewebes (oder Gewirkes) der Zwischenschicht 14 mit einer metallischen Oberflächenschicht 15" versehen sind. Die metallische Oberflächenschicht 15" besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Nickel oder aus einer Metall-Legierung, die bevorzugterweise wärmeausdehnungsinvariant ist. Eine solche wärmeausdehnungsinvariante Eisen-Nickel-Legierung ist beispielsweise unter der geschützten Markenbezeichnung Invar® bekannt. The detail B in Fig. 2 shows an enlarged representation of a partially sectioned plan view of the intermediate layer 14 in the direction of the arrow B. The surface 14 'of the intermediate layer 14 is mainly formed by the plastic matrix, the fibers 15 of the fiber composite shown here as a fabric of the intermediate layer 14 covered. The individual fibers 15 have a fiber core 15 ', for example made of carbon fiber, aramid fiber or glass fiber material, which is coated on its surface with a metal, for example vaporized, so that the individual fibers of the woven (or knitted) of the intermediate layer 14 with a metallic one Surface layer 15 "are provided. The metallic surface layer 15" is preferably made of copper or nickel or of a metal alloy, which is preferably thermal expansion invariant. Such a thermal expansion-invariant iron-nickel alloy is known, for example, under the protected brand name Invar®.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, ist im dargestellten Beispiel knapp die obere Hälfte des Behälterkorpus' 10 einschließlich der zum Innenraum 10" weisenden inneren Oberfläche 11" des Anschlussflansches 11 (oder dem darauf liegenden Teil der Zwischenschicht 14) bereits von der Spritzvorrichtung 3 mit der Oberflächenbeschichtung 16 aus den zugeführten Metallpartikeln beschichtet worden. Die Oberflächenbeschichtung 16 deckt somit auch den so genannten Schäftungsbereich des Anschlussflansches 11 mit ab. Die mittels des Kaltgasspritzens aufgebrachten Metallpartikel bilden eine geschlossene, homogene Oberflächenbeschichtung 16 aus, die im fertigen Zustand — wenn auch der untere Teil des Behälterkorpus' 10 noch mit der Oberflächenbeschichtung 16 versehen sein wird — den Innenraum 10" des Behälterkorpus' 10 (bis auf die Öffnung 1 T im Anschlussflansch 11 ) umgibt. As can be seen in Fig. 2, in the example shown, almost the upper half of the container body 10, including the inner surface 11" of the connecting flange 11 facing the interior 10" (or the part of the intermediate layer 14 lying thereon) is already removed from the spraying device 3 been coated with the surface coating 16 from the supplied metal particles. The surface coating 16 thus also covers what is known as the shank area of the connecting flange 11 . The metal particles applied by means of cold gas spraying form a closed, homogeneous surface coating 16 which, in the finished state — even though the lower part of the container body 10 will still be provided with the surface coating 16 — covers the interior 10" of the container body 10 (except for the Opening 1 T in the connection flange 11) surrounds.
Durch die Drehbarkeit der Spritzvorrichtung 3 um die vertikale Achse X entsprechend dem Rotationsdoppelpfeil R, die vertikale Verschiebbarkeit der Spritzvorrichtung 3 entsprechend dem Doppelpfeil V und die Schwenkbarkeit der Spritzeinheit 34 um die Querachse Y lässt sich die Düse 36 auf jeden Ort der Innenseite 10' des Behälterkorpus' richten, so dass die Innenseite 10' des Behälterkorpus' 10 lückenlos mittels des thermischen Spritzverfahrens, also hier des Kaltgasspritzens, beschichtbar ist und so eine geschlossene und gasdichte Oberflächenbeschichtung 16 ausbildet. Due to the fact that the spraying device 3 can be rotated around the vertical axis X according to the double arrow R, the vertical displaceability of the spraying device 3 according to the double arrow V and the ability to pivot the spraying unit 34 around the transverse axis Y, the nozzle 36 can be positioned at any location on the inside 10' of the container body 'Adjust so that the inside 10' of the container body' 10 can be coated without gaps by means of the thermal spraying process, ie cold gas spraying in this case, and a closed and gas-tight surface coating 16 is thus formed.
Die Oberflächenbeschichtung 16 kann aus einer einmalig aufgebrachten Schicht oder aus mehreren nacheinander aufgebrachten Schichten aus dem gleichen Metallmaterial oder aus unterschiedlichen Metallmaterialien bestehen. Ist der Behälter mit zumindest einem inneren Trennboden versehen, der das Behälterinnere in zwei (oder mehr) separate Räume unterteilt (zum Beispiel zur Aufnahme unterschiedlicher Treibstoffkomponenten) so wird auch dieser, zum Beispiel aus einem Glasfaser-Verbundmaterial oder Kohlefaser-Verbundmaterial bestehende, Trennboden ("common bulkhead") auf zumindest einer seiner Oberflächen (vorzugsweise auf beiden Oberflächen) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer metallischen Oberflächenbeschichtung versehen. Dadurch werden beziehungsweise sind beide Räume im Inneren des Behälters auf allen Oberflächen ihrer jeweiligen Innenseite vollständig mit der metallischen Oberflächenbeschichtung versehen. The surface coating 16 can consist of a single applied layer or of several successively applied layers of the same metal material or of different metal materials. If the container is provided with at least one inner separating floor, which divides the interior of the container into two (or more) separate spaces (e.g. to accommodate different fuel components), then this dividing floor ( "Common bulkhead") provided on at least one of its surfaces (preferably on both surfaces) with a metallic surface coating by the process according to the invention. As a result, both spaces inside the container are or are completely provided with the metallic surface coating on all surfaces of their respective inner side.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Verfahrens, wenn der Behälterkorpus einteilig ausgebildet ist. Dabei kann zuerst die Wandung des Behälterkorpus', gegebenenfalls bereits mit Anschlussflanschen, gefertigt werden und dann kann die metallische Oberflächenbeschichtung auf die Innenseite der Wandung des Behälters aufgesprüht werden. The use of the method is particularly advantageous when the container body is designed in one piece. In this case, the wall of the container body can be produced first, possibly already with connecting flanges, and then the metallic surface coating can be sprayed onto the inside of the wall of the container.
Das Verfahren ist aber auch anwendbar, wenn der Behälterkorpus mehrteilig ausgebildet ist. In diesem Fall werden zunächst die einzelnen Behälterteile, also einzelne Wandungen, gefertigt und auf ihrer jeweiligen Innenseite wird die jeweilige Oberflächenbeschichtung aufgesprüht und dann werden die Behälterteile (Wandungen) zu einem Behälter zusammengebaut. However, the method can also be used if the container body is designed in several parts. In this case, the individual container parts, i.e. individual walls, are first produced and the respective surface coating is sprayed on their respective inner side and then the container parts (walls) are assembled to form a container.
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken. Bezuqszeichenliste Reference signs in the claims, the description and the drawings are only intended for a better understanding of the invention and are not intended to limit the scope of protection. Reference character list
Es bezeichnen: Designate it:
1 Behälter 1 container
2 Formkörper 2 moldings
2' Oberfläche des Formkörpers 2' surface of the shaped body
3 Spritzvorrichtung 3 spray device
10 Behälterkorpus 10 container body
10' Innenseite des Behälterkorpus 10' Inside of the container body
10" Innenraum 10" interior
11 Anschlussflansch 11 connection flange
11 ' Öffnung 11' opening
11" innere Oberfläche 11" inner surface
12 Wandung 12 wall
12' Wandungsgrundkörper 12' wall body
13 Wandungsschicht 13 wall layer
13' Innenseite 13' inside
14 Zwischenschicht 14 intermediate layer
14' Oberfläche 14' surface
15 Faser der Zwischenschicht 15 fiber of the intermediate layer
15' Faserkern (z.B. Kohlefaser, Aramidfaser, Glasfaser)15' fiber core (e.g. carbon fiber, aramid fiber, glass fiber)
15" metallische Oberflächenschicht der Faser 15" metallic surface layer of fiber
16 Oberflächenbeschichtung 16 surface coating
18 Beschichtungsschicht 18 coating layer
30 Stange 30 rod
32 Schwenkgelenk 32 swivel joint
34 Spritzeinheit 34 injection unit
35 Versorgungsschlaucheinheit 35 supply hose assembly
35' Arbeitsgasschlauch 35' working gas hose
35" Partikeltransportschlauch 35" particle transport hose
36 Spritzdüse 38 Spritzstrahl 36 Spray Nozzle 38 spray jet
110 Behälterkorpus 110 container body
R RotationsdoppelpfeilR rotation double arrow
S Stützen S supports
V Doppelpfeil V double arrow
X vertikale Achse X vertical axis
Y Querachse Y transverse axis

Claims

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Patentansprüche Verfahren zur Beschichtung einer eine äußere Wandungsschicht (13) aufweisenden Wandung (12) mit zumindest einer metallischen Oberflächenschicht (16), mit den Schritten: a) Bereitstellen eines von der äußeren Wandungsschicht gebildeten Wandungsgrundkörpers (12'); b) Verbinden der äußeren Wandungsschicht (13) mit einer aus einem Faserverbundwerkstoff gebildeten oder einen Faserverbundwerkstoff aufweisenden Zwischenschicht (14) zur Bildung der zu beschichtenden Wandung (12), wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) eine metallische Oberfläche aufweist, und c) Beschichten der Wandung (12) auf der von der äußeren Wandungsschicht (13) abgewandten Oberfläche (14‘) der Zwischenschicht (14) mit der zumindest einen metallischen Oberflächenschicht (16) mittels einer Spritzvorrichtung (3) durch thermisches Spritzen. Verfahren zur Beschichtung einer eine äußere Wandungsschicht (13) aufweisenden Wandung (12) aus einem Faserverbundwerkstoff mit zumindest einer metallischen Oberflächenschicht (16), mit den Schritten: a1 ) Aufbringen einer Zwischenschicht (14) oder der äußeren Wandungsschicht (13) auf zumindest einen Formkörper; b1 ) Aufbringen der äußeren Wandungsschicht (13) aus dem Faserverbundwerkstoff auf die Zwischenschicht (14) beziehungsweise Aufbringen der Zwischenschicht (14) auf die äußere Wandungsschicht (13) und Verbinden der äußeren Wandungsschicht (13) mit der inneren Zwischenschicht (14) zur Bildung der zu beschichtenden Wandung 30 Method for coating a wall (12) having an outer wall layer (13) with at least one metallic surface layer (16), with the steps: a) providing a wall base body (12') formed by the outer wall layer; b) Connecting the outer wall layer (13) to an intermediate layer (14) formed from a fiber composite material or having a fiber composite material to form the wall (12) to be coated, with at least some of the fibers of the fiber composite material of the intermediate layer (14) having a metallic surface , and c) coating the wall (12) on the surface (14') of the intermediate layer (14) facing away from the outer wall layer (13) with the at least one metallic surface layer (16) by means of a spraying device (3) by thermal spraying. Method for coating a wall (12) made of a fiber composite material and having an outer wall layer (13) with at least one metallic surface layer (16), with the steps: a1) applying an intermediate layer (14) or the outer wall layer (13) to at least one shaped body ; b1 ) Applying the outer wall layer (13) made of the fiber composite material to the intermediate layer (14) or applying the intermediate layer (14) to the outer wall layer (13) and connecting the outer wall layer (13) to the inner intermediate layer (14) to form the wall to be coated 30
(12), wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) eine metallische Oberfläche aufweist; b2) Aushärten der Wandung (12) und c) Beschichten der Wandung (12) auf der von der äußeren Wandungsschicht (13) abgewandten Oberfläche (14‘) der Zwischenschicht (14) mit der zumindest einen metallischen Oberflächenschicht (16) mittels einer Spritzvorrichtung (3) durch thermisches Spritzen. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wandungsschicht (13) aus einem Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist oder diesen aufweist. Verfahren nach Ansprüche 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (14) ein Faserverbundgewebe oder ein Faserverbundgelege aufweist oder aus einem Faserverbundgewebe oder einem Faserverbundgelege gebildet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) einen mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichteten nichtmetallischen Faserkern (15') aufweist. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) mit Kupfer, mit Nickel oder mit einer wärmeausdehnungsinvarianten Legierung von Metallen beschichtet ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Faserverbundwerkstoff ein Kohlefaserverbundwerkstoff, ein Aramidfaserverbundwerkstoff oder ein Glasfaserverbundwerkstoff ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Oberflächenbeschichtung (16) zumindest eines der Metalle Aluminium, Titan, Edelstahl, Kupfer oder Nickel und/oder zumindest eine Legierung von Metallen mit dem thermischen Spritzverfahren aufgebracht wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (12) als Laminat gebildet wird. Wandung (12) mit einer äußeren Wandungsschicht (13) sowie einer auf einer Seite der äußeren Wandungsschicht (13) vorgesehenen und mit dieser verbundenen Zwischenschicht (14), die aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist oder einen Faserverbundwerkstoff aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) eine metallische Oberfläche aufweist, wobei die von der äußeren Wandungsschicht (13) abgewandte Oberfläche (14‘) der Zwischenschicht (14) mit zumindest einer durch thermisches Spritzen aufgebrachten metallischen Oberflächenschicht (16) versehen ist. Wandung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff der Zwischenschicht (14) ein Fasergewebe, ein Fasergewirke oder ein Fasergelege aufweist oder aus einem Fasergewebe, einem Fasergewirke oder einem Fasergelege gebildet ist. Wandung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) einen mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichteten nichtmetallischen Faserkern (12') aufweist. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der einzelnen Fasern des Faserverbundwerkstoffs der Zwischenschicht (14) mit Kupfer, mit Nickel oder mit einer wärmeausdehnungsinvarianten Legierung von Metallen beschichtet ist. Wandung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff ein Kohlefaserverbundwerkstoff, ein Aramidfaserverbundwerkstoff oder ein Glasfaserverbundwerkstoff ist. Wandung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Oberflächenschicht (16) zumindest eines der Metalle Aluminium, Titan, Edelstahl, Kupfer oder Nickel und/oder zumindest eine Legierung von Metallen, wie beispielsweise eine Eisen-Nickel-Legierung, aufweist. Verfahren zur Herstellung eines Behälters (1) mit einem Behälterkorpus (10), der eine Wandung (12) aufweist, die nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 gebildet wird, wobei der Behälterkorpus (10) mit zumindest einer Öffnung (1 T) versehen ist, wobei die Zwischenschicht (14) auf der zur Innenseite (10‘) des Behälterkorpus' (10) weisenden Innenseite (13‘) der äußeren Wandungsschicht (13) liegt, und wobei das Beschichten der Wandung (12) des Behälterkorpus' (10) mit der zumindest einen metallischen Oberflächenschicht (16) auf der zur Innenseite (10‘) des Behälterkorpus' (10) 33 weisenden Oberfläche (14‘) der inneren Zwischenschicht (14) mittels einer durch die zumindest eine Öffnung (1 T) eingeführten Spritzvorrichtung (3) durch thermisches Spritzen erfolgt. Verfahren zur Herstellung eines Behälters (1 ) mit einem mehrteilig aus Behälterteilen ausgebildeten Behälterkorpus (10), der mit zumindest einer Öffnung (11 ') versehen ist, mit den Schritten: a) Herstellen der Behälterteile des Behälterkorpus' (10) mit jeweils einer Wandung (12), die nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 gebildet wird, wobei die Zwischenschicht (14) auf der zur Innenseite (10‘) des Behälterkorpus' (10) weisenden Innenseite (13‘) der äußeren Wandungsschicht (13) liegt, und wobei das Beschichten der Wandung (12) des jeweiligen Behälterteils des Behälterkorpus' (10) mit der zumindest einen metallischen Oberflächenschicht (16) auf der zur Innenseite (10‘) des Behälterkorpus' (10) weisenden Oberfläche (14‘) der inneren Zwischenschicht (14) erfolgt. b) Zusammenbauen der Behälterteile zum Behälter (1 ). Behälter, hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, mit einem Behälterkorpus (10), der eine Wandung (12) gemäß einem der Patentansprüche 10 bis 15 mit einer äußeren Wandungsschicht (13) aus Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff sowie einer von einem Faserverbundwerkstoff gebildeten inneren Zwischenschicht (14) auf der zur Innenseite (10‘) des Behälterkorpus' (10) weisenden Innenseite (13‘) der äußeren Wandungsschicht (13) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Fasern des Faserverbundwerkstoffs der inneren Zwischenschicht (14) mit einem Metall oder einer Metall-Legierung beschichtet ist, wobei die zur Innenseite (10‘) des Behälterkorpus' (10) weisende Oberfläche (14‘) der inneren Zwischenschicht (14) mit zumindest einer durch thermisches Spritzen mittels eines Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 9 aufgebrachten metallischen Oberflächenschicht (16) versehen ist. (12), wherein at least some of the fibers of the fiber composite material of the intermediate layer (14) have a metallic surface; b2) curing of the wall (12) and c) coating of the wall (12) on the surface (14') of the intermediate layer (14) facing away from the outer wall layer (13) with the at least one metallic surface layer (16) by means of a spraying device ( 3) by thermal spraying. Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the outer wall layer (13) is formed from a plastic or from a fiber composite material or has this. Method according to Claims 1, 2 or 3, characterized in that the intermediate layer (14) has a fiber composite fabric or a fiber composite fabric or is formed from a fiber composite fabric or a fiber composite fabric. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least some of the individual fibers of the fiber composite material of the intermediate layer (14) have a non-metallic fiber core (15') coated with a metal or a metal alloy. Method according to Claim 5, characterized in that at least some of the individual fibers of the fiber composite material of the intermediate layer (14) are coated with copper, with nickel or with an alloy of metals that is invariant to thermal expansion. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the respective fiber composite material is a carbon fiber composite material, an aramid fiber composite material or a glass fiber composite material. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the metals aluminium, titanium, stainless steel, copper or nickel and/or at least one alloy of metals is applied using the thermal spraying method to form the surface coating (16). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the wall (12) is formed as a laminate. Wall (12) with an outer wall layer (13) and an intermediate layer (14) provided on one side of the outer wall layer (13) and connected thereto, which is formed from a fiber composite material or has a fiber composite material, with at least some of the fibers of the fiber composite material of the intermediate layer (14) has a metallic surface, the surface (14') of the intermediate layer (14) facing away from the outer wall layer (13) being provided with at least one metallic surface layer (16) applied by thermal spraying. Wall according to Claim 10, characterized in that the fiber composite material of the intermediate layer (14) has a fiber fabric, a fiber knitted fabric or a fiber scrim or is formed from a fiber fabric, a fiber knitted fabric or a fiber scrim. Wall according to Claim 10 or 11, characterized in that at least some of the individual fibers of the fiber composite material of the intermediate layer (14) have a non-metallic fiber core (12') coated with a metal or a metal alloy. Method according to Claim 10, 11 or 12, characterized in that at least some of the individual fibers of the fiber composite material of the intermediate layer (14) are coated with copper, with nickel or with an alloy of metals that is invariant to thermal expansion. Wall according to Claim 13, characterized in that the fiber composite material is a carbon fiber composite material, an aramid fiber composite material or a glass fiber composite material. Wall according to one of Claims 10 to 14, characterized in that the metallic surface layer (16) contains at least one of the metals aluminium, titanium, stainless steel, copper or nickel and/or at least one alloy of metals, such as an iron-nickel alloy. having. A method of manufacturing a container (1) having a container body (10) having a wall (12) formed by a method according to any one of claims 1 to 9, wherein the container body (10) is provided with at least one opening (1 T ) is provided, wherein the intermediate layer (14) lies on the inside (13') of the outer wall layer (13) facing the inside (10') of the container body (10), and wherein the coating of the wall (12) of the container body' (10) with the at least one metallic surface layer (16) on the inside (10') of the container body (10) 33-facing surface (14') of the inner intermediate layer (14) by means of a spraying device (3) introduced through the at least one opening (1T) by thermal spraying. Method for producing a container (1) with a container body (10) made up of several parts and provided with at least one opening (11'), with the steps: a) producing the container parts of the container body (10), each with a wall (12) formed by a method according to any one of claims 1 to 9, wherein the intermediate layer (14) on the inside (13') of the outer wall layer (13) facing the inside (10') of the container body (10) and wherein the coating of the wall (12) of the respective container part of the container body (10) with the at least one metallic surface layer (16) on the surface (14') of the container body (10) facing the inside (10') of the inner intermediate layer (14) takes place. b) assembling the container parts to form the container (1). Container produced by a method according to Claim 16 or 17, with a container body (10) which has a wall (12) according to one of Patent Claims 10 to 15 with an outer wall layer (13) made of plastic or of a fiber composite material and one of a fiber composite material formed inner intermediate layer (14) on the inner side (13') of the outer wall layer (13) facing the inner side (10') of the container body (10), with at least some of the fibers of the fiber composite material of the inner intermediate layer (14) having a metal or a metal alloy, the surface (14') of the inner intermediate layer (14) facing the inside (10') of the container body (10) having at least one layer produced by thermal spraying using a method according to one of Patent Claims 1 to 9 applied metallic surface layer (16) is provided.
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