JP2017536268A - 強化構造体を成形体表面に形成する装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱可塑性プラスチックを有する繊維強化されたテープ（３０）を有する強化構造体（２０）を、成形体表面（１１）に形成する装置を開示する。装置は、この装置は、レーザダイオードアレー（１１０，１２０）がテープ（３０）の加熱面（３２）および／または成形体表面（１１）の加熱面（１２）または既に形成された前記強化構造体（２０）の加熱面（１２）を直接照射するように形成されており、レーザダイオードアレー（１１０，１２０）のレーザダイオード（１１１）は、サーフェスエミッタ（１１１）として形成されていることによって、特徴付けられている。

Description

本発明は、強化構造体を成形体表面に形成する装置に関する。

成形体表面としては、このとき、任意に形成された基材または任意に成形されかつ寸法設定された成形体のいかなる面もしくは表面をも含むと理解することができる。

重量最適化の理由から、基材および／または成形体はしばしばプラスチックから形成される。従って相応に形成された基材および／または成形体は、重量技術的に最適化されることができるが、しかしながらまた減じられた安定性を有することがある。安定性を高めるために、基材および／または成形体に強化構造体を設けることができる。この強化構造体は、例えば繊維強化された熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂から形成されていてもよい。

成形体もしくは基材の１例は、圧力容器の内側容器である。圧力内側容器は、例えば熱可塑性プラスチックから形成されているか、または熱可塑性プラスチックを少なくとも含んでいる。圧力容器は、圧力下にある気体および／または圧力下にある液体を貯えるために使用される。例えば圧力容器は既に、天然ガスによって作動させられる自動車において使用されている。さらに、圧力下にある水素を満たされる、自動車用の圧力容器も公知である。水素は、内燃機関において酸素と共に燃焼されるか、または燃料電池において酸素と反応して水を形成し、このとき得られた電気エネルギは、アキュムレータまたは電動機に供給される。

相応の圧力容器は、大きな負荷に耐えなくてはならない。天然ガス用の圧力容器は、例えば２５０バールまでの圧力で満たされる。水素用の圧力容器は、７００バールまでの圧力で満たされる。従って、このような圧力容器の内側領域を形成しかつ例えば熱可塑性プラスチックから形成されている圧力内側容器は、圧力内側容器の強化を可能にする支持構造体を備えなくてはならない。その結果圧力容器は、７００バールまでの圧力負荷に耐える。

従来技術に基づいて、成形体に、熱可塑性プラスチック製の支持構造体を設けることが公知であり、このとき熱可塑性プラスチックは繊維強化されており、特に炭素繊維によって強化されている。この場合に、成形体と支持構造体との間における確実かつ安定した結合が必要である。

例えば米国特許第６４５１１５２号明細書には、プラスチックテープからプラスチック製品を形成する方法が記載されている。そのためにプラスチックテープと基材との互いに向かい合って位置する面には、レーザダイオードアレーから放射されたレーザ光が照射されかつ加熱される。それぞれの加熱面の加熱後に、プラスチックテープは、基材の表面上に位置決めされ、圧着装置を用いて基材に押圧され、これによりプラスチックテープは基材に固着する。米国特許第６４５１１５２号明細書の記載によれば、プラスチックテープおよび基材の表面は、合わせられた強度で照射されて局部的に溶融することができ、これにより例えば、プラスチックテープが基材上に湾曲されて載置されている場合には、プラスチックテープのカーブ内側の領域がより強く加熱され、これによってプラスチックテープは曲げられた形状においてより良好に基材に下ろされ、基材に結合されることができる。

米国特許第６４５１１５２号明細書の記載によれば、いわゆるエッジエミッタ（Kantenemitter）として形成された複数のレーザダイオードを有するレーザダイオードアレーが使用されている。エッジエミッタ・レーザダイオードは、高い放射発散を有しているので、レーザダイオードアレーから放射された光円錐の直径は、レーザダイオードアレーに対する間隔と共に素早く増大することになる。プラスチックテープおよび基材の加熱面を加熱するために必要な強度を得ることができるようにするために、レーザダイオードアレーと照射される面との間に、視準光学系として形成された結像光学系が配置されている。もしレーザダイオードアレーの下流側に光学的に配置された結像光学系が使用されないと、結果的に、レーザ出力の大部分は、プラスチックテープおよび／または成形体を加熱するのに使用することができなくなる。

しかしながら結像光学系の使用には、様々な欠点がある。相応の結像光学系は、極めて高価であり、このことは装置全体のコストを高騰させる。さらに結像光学系は、装置の使用の間に汚れ、このことは、結像光学系のクリーニングを必要とし、このようなクリーニングのためには、装置の運転を休止させることが必要であり、これによって、強化構造体を備えた成形体を製造するための平均時間が長くなる。運転休止に基づいて、装置を用いて製造されかつ強化構造体を有する成形体の単価が高くなる。さらに、結像光学系の使用によって、本発明の前段部に記載の装置の複雑さが大幅に高くなる。

本発明の根底を成す課題は、択一的に簡単に基材とも呼ぶことができる成形体の表面に強化構造体を形成する、簡単化されかつ比較的安価な装置を提供することである。

本発明の根底を成す課題は、請求項１に記載の特徴を備えた、成形体表面に強化構造体を形成する装置によって解決される。好適な実施形態は、請求項１を引用する従属請求項に記載されている。

さらに、本発明の根底を成す課題は、請求項１６に記載の特徴を備えた、成形体表面に強化構造体を形成する方法によって解決される。好適な実施形態は、請求項１６を引用する従属請求項に記載されている。

より正確に言えば、本発明の根底を成す課題は、熱可塑性プラスチックを有する繊維強化されたテープを有する強化構造体を、成形体表面に形成する装置によって解決される。このとき装置は、成形体表面にテープを圧着させる圧着装置を有している。テープは圧着装置と成形体表面との間に位置決め可能であり、このときテープの圧着部分を圧着装置および成形体表面に接触させることができ、これによりテープを、圧着装置を用いて成形体表面に向かって押圧させることができるようになっている。テープはその結果、圧着装置と成形体表面との間にサンドイッチ状に配置される。装置はさらに、移動装置および／または回転装置を有していて、該移動装置および／または回転装置は、成形体および／または圧着装置に運動を伝達するように連結されている。これにより圧着装置に対する成形体の相対運動および／または相対回動を得ることができ、これによってテープは成形体表面上に送り込むことができる。このとき圧着装置は、成形体表面に相対運動方向において移動し、テープは、圧着装置に関して引張り方向に引っ張られる。さらに装置は、引張り方向においてテープの圧着領域の上流側に配置された、テープの加熱面を照射するため、および／または相対運動方向において圧着領域の下流側に配置された、成形体の加熱面を照射するために、複数のレーザダイオードを備えた少なくとも１つのレーザダイオードアレーを有している。レーザダイオードアレーを用いた照射によって、テープはその加熱面の領域において局部的に溶融可能であり、および／または成形体表面はその加熱面の領域において局部的に溶融可能である。これにより圧着装置を用いた成形体表面におけるテープの圧着によって、テープは成形体に結合可能である。本発明に係る装置は、装置は、レーザダイオードアレーがテープの加熱面および／または成形体表面の加熱面または既に形成された強化構造体の加熱面を直接照射するように形成されており、レーザダイオードアレーのレーザダイオードは、サーフェスエミッタとして形成されていることによって特徴付けられている。

サーフェスエミッタ・レーザダイオードもしくはＶＣＳＥＬ（英語：vertical-cavity surface-emitting laser 垂直共振器面発光レーザ）とも呼ぶことができるサーフェスエミッタの使用によって、場合によっては必要であった結像光学系をレーザダイオードアレーとテープおよび／または成形体との間に配置する必要なしに、単位面積当たりの比較的高い放射出力を、テープおよび／または成形体において実現することができる。なぜならば、サーフェスエミッタの放射発散は、いわゆるエッジエミッタの放射発散に比べて大幅に小さいからである。これによって、本発明に係る装置の複雑さ、ひいては本発明に係る装置のコストが減じられる。さらに結像光学系が汚染されることはあり得ない。さらにサーフェスエミッタの高い放射品質およびこれによって高められた、レーザダイオードアレーと一方または双方の加熱面との間の間隔に基づいて、レーザダイオードアレー自体がデブリ（Debris）によって汚れることも効果的に回避することができる。最後に、レーザダイオードアレーと一方または双方の加熱面との間の比較的大きな間隔に基づいて、圧着装置と成形体との相対的な運動の自由度も高まる。

レーザダイオードアレーから放射されたレーザ光の波長は、好ましくは赤外線帯域にある。例えば波長は、７８０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲に位置している。赤外線は熱可塑性プラスチックによって特に良好に吸収されるので、赤外線の使用は特に好適である。

移動装置および／または回転装置は、圧着装置を移動および／または回転させるための、例えばロボットのような取扱い装置と、成形体を移動および／または回転させるための別の取扱い装置とを有することができる。

成形体は、このとき任意の幾何学形状を有することができる。最も簡単な場合には、成形体はフラットな基材として形成されている。もちろん、成形体が、例えば、特に圧力容器の内側容器が有する円筒形の幾何学形状のような比較的複雑な幾何学形状を有することも可能である。

例えば内側容器が強化構造体を備えることが望ましい場合には、移動装置および／または回転装置は、レーザダイオードアレーが配置されているロボットアームを有することができる。さらに移動装置および／または回転装置は、圧力容器もしくは内側容器が配置されている回転スピンドルを有することができる。容器は回転スピンドルを用いて容器の長手方向軸線を中心にして回転可能である。さらに回転スピンドル自体は、内側容器の長手方向軸線に対して垂直な回転軸線を中心にして回転可能であってもよい。例えば製造される圧力容器の内側容器である成形体は、特に熱可塑性材料から形成されているかまたは熱可塑性材料を少なくとも含んでいることができる。例えば成形体の外面は、熱可塑性材料から成っていてもよい。このような場合には、テープと成形体との間において素材結合式の結合が行われる。

しかしながらまた、もちろん、成形体は金属から成っていてもよく、このような場合にはテープと成形体との間における結合は、形状結合式および／または力結合式に行われる。

成形体表面に装着される強化構造体は、支持構造体または補強構造体とも呼ぶことができる。

好ましくは、少なくとも２つのレーザダイオードの放射方向ベクトルが、互いに平行に向けられておらず、一方または双方の加熱面に向かって互いに近づくように向けられている。

これによって１つまたは複数の加熱面における高い放射強度を、実現することができる。なぜならば、個々のレーザダイオードの放射発散は、レーザダイオードの配置形態によって少なくとも部分的に補償することができるからである。さらに装置の相応の構成によって、レーザダイオードアレーがテープおよび／または成形体の加熱面に向かって再度増大された距離を有するということが可能である。

このときレーザダイオードの放射方向ベクトルは、レーザダイオードのエミッタ表面に直接接続するベクトルであり、場合によってはレーザダイオードの後ろに配置されたレンズの後ろにおけるベクトルではない。

装置は、好ましくは、前記装置が、レーザダイオードアレーを有する照射モジュールを有しており、該照射モジュールが、テープの加熱面および／または成形体の加熱面にそれぞれ向けられた少なくとも２つの放射面を有するように構成されている。放射面のそれぞれには、レーザダイオードアレーの少なくとも１つのレーザダイオードが配置されており、該レーザダイオードの放射方向ベクトルは、放射面の法線ベクトルに対して平行に向けられている。このとき、互いに隣接する２つの放射面によって形成された角度が、可変である。

しかしながら本発明は、互いに隣接する２つの放射面のただ１つの角度が可変もしくは変化可能であるような構成に制限されない。むしろ照射モジュールの放射面のすべての角度が調整され得るもしくは変化可能である。互いに隣接する放射面の角度の変化は、電気機械式に行うことができる。例えば照射モジュールの個々の構成部材がターンテーブルに配置されていてもよく、これによって照射モジュールの個々のセグメント相互の角度方向付けを変化させることができる。また照射モジュールの個々のセグメントの角度位置を、圧電素子を用いて変化させることも可能である。

照射モジュールの個々のセグメントの通常の角度変化は、通常、０.１°〜１０°の角度範囲にある。さらに好ましくは、照射モジュールの個々のセグメントの間における角度変化は、０.１°〜５°である。さらに好ましくは、個々のセグメントの間における角度変化は、０.２°〜３°である。最も好ましくは、角度変化は０.３°〜１°である。

本発明に係る装置の相応の構成によって、１つまたは複数の加熱面の強度プロファイルは、単に、個々のレーザダイオードの電流値の変化のみならず、むしろ追加的にまたは択一的に、個々のセグメントの角度変化によって、それぞれのレーザダイオードから放射される種々異なった放射円錐を互いにオーバラップさせることができ、これによって、１つまたは複数の加熱面における強度プロファイルをさらに変化させることができる。

成形体表面に強化構造体を形成する相応に構成された装置は、成形体の種々様々な幾何学形状に対してさらにフレキシブルに調節可能である。さらに、相応に構成された装置によって、テープを取り囲む材料にレーザ光を不必要に照射することなしに、種々異なった幅のテープを加熱することも可能である。

装置は、好ましくは、前記装置が、レーザダイオードアレーを有する照射モジュールを有しており、該照射モジュールが、テープの加熱面および／または成形体の加熱面にそれぞれ向けられた少なくとも２つの放射面を有しているように構成されている。放射面のそれぞれには、レーザダイオードアレーの少なくとも１つのレーザダイオードが配置されており、該レーザダイオードの放射方向ベクトルは、放射面の法線ベクトルに対して平行に向けられている。このとき放射面の法線ベクトルは、互いに平行に向けられておらず、１つまたは複数の加熱面に向かって互いに近づくように向けられている。

例えば照射モジュールの個々のセグメント化された放射面は、凹面状の包絡面によって画定されていてもよい。

別の好適な態様では、装置は、当該装置が、レーザダイオードアレーを有する照射モジュールを有しており、該照射モジュールが、テープの加熱面および／または成形体の加熱面に向けられた少なくとも１つの放射面を有しているように構成されている。このとき１つまたは複数の該放射面は、凹面状に形成されており、レーザダイオードアレーのレーザダイオードは、互いに間隔をおいて放射面に配置されており、レーザダイオードの各放射方向ベクトルは、レーザダイオードを取り囲む放射面の局部的な法線ベクトルに対して平行に向けられており、これにより少なくとも２つのレーザダイオードの放射方向ベクトルは、互いに平行に向けられておらず、１つまたは複数の加熱面に向かって互いに近づくように向けられている。

直ぐ上に記載した装置の２つの構成は、個々のレーザダイオードの放射発散を補償することができ、これによってテープおよび成形体の加熱面における高いレーザ光強度が実現可能であるという利点を提供する。これによってさらに、レーザダイオードアレーとテープの加熱面もしくは成形体の加熱面との間における結像光学系を省くことが可能になる。

装置の好適な態様では、レーザダイオードアレーのレーザダイオードは、互いに少なくとも部分的に互いに等間隔でない間隔をおいて位置している。

レーザダイオードが互いに等間隔ではない間隔をおいて位置していることによって、テープの加熱面および／または成形体の加熱面における不均一な放射強度を実現もしくは促進することができる。さらにレーザダイオード相互の不均一な間隔によって、放射方向ベクトルが互いに平行に延びていないにもかかわらず、加熱面における所望の、例えば均一な強度分布を得ることができる。

例えば、比較的大きな角度を成して加熱面にレーザ光を放射するレーザダイオードの間における間隔は、比較的鋭角の角度を成してまたはほぼ垂直に加熱面にレーザ光を放射するレーザダイオードの間における間隔よりも小さくてもよい。

好ましくは、レーザダイオードアレーの個々のレーザダイオードの放射出力は、制御装置を用いて別個に調節可能である。

このように構成されていると、テープおよび成形体の加熱面の温度を検出した場合に、それぞれの温度に関連して、個々のレーザダイオードを相応に制御することが可能であり、これによりプラスチックテープと成形体表面との接触領域において、プラスチックテープおよび成形体表面は、好ましくは同じ温度を有することになる。これは、例えば閉じられたフィードバック構造において行うことができる。

好ましくは、不均一の強度分布をテープの加熱面において生ぜしめ、このときテープの加熱面における放射強度が引張り方向において少なくとも部分的に低減するような放射領域を放射すべく、レーザダイオードアレーは合わせられている。

テープの加熱面における放射強度が引張り方向において少なくとも部分的に低減するような、相応の加熱戦略によって、テープの照射される側は、加熱面の開始部において、つまり加熱面の、成形体表面から最も離れている領域において、圧着領域の直前におけるよりも強く加熱される。これによってテープをその厚さにわたってもより良好に熱平衡化することができ、つまりテープ背側の温度を、照射されるテープ前側の温度により良好に合わせることができる。これにより、テープの厚さにわたって均一な温度分布が得られる。均一な温度分布に基づいて、テープの材料はその厚さにわたって均一な粘稠性を有するので、成形体表面もしくは既に形成された強化構造体へのテープの圧着によって、テープは僅かしか機械的な応力を被らなくなる。さらにテープはその厚さにわたる均一な温度分布に基づいて、冷却後においても僅かな熱応力しか有しない。この両方の効果によって、成形体表面もしくは既に形成された強化構造体へのテープの結合がより安定的になり、その結果強化構造体を備えた成形体は、高い安定性を有することになる。

このとき作用機構は以下の通りである。テープはその加熱面の開始部において、レーザ光を用いて強く加熱される。なぜならば、レーザ光の強度は加熱面の開始部の領域において特に高いからである。テープの厚さにわたる高い温度勾配に基づいて、テープの厚さ方向において温度補償が加速される。レーザダイオードアレーから放射された放射線によるテープのさらなる加熱プロセス中に、レーザ光の強度は引張り方向において低減するので、加熱面における加熱の速度が低下する。これによってテープの前側、つまりテープの、成形体に向けられた側は、材料固有の最大温度を超えて加熱されず、このとき同時に、テープ前側に対するテープ背側の温度の温度調整が達成される。

相応に構成された装置によってさらに、比較的厚いテープをも、強化構造体を形成するために使用することが可能になる。なぜならば、本発明に係る加熱戦略に基づいて、比較的厚いテープもその厚さにわたって熱平衡化することができるからである。もちろん比較的多数の繊維、特に炭素繊維をも有することができる、比較的厚いテープの使用によって、強化構造体を製造するために、比較的僅かな数のテープ個別層を、成形体表面に載置させるだけでよいので、強化構造体を製造するための時間は短縮される。

もちろん、テープの加熱面の放射強度が引張り方向において単調に低減することは、不要である。引張り方向において部分的に上昇する強度を備えた、引張り方向におけるテープ加熱面の放射強度変化も、単に、引張り方向におけるテープ加熱面の放射強度が少なくとも部分的に低減することが保証されていれば、可能である。

好ましくは、装置は、さらに加熱装置を有しており、該加熱装置を用いて、引張り方向において加熱面の上流側に配置されたテープが、予め設定された温度に加熱可能である。

これによって、テープはその加熱面の制限された長さにわたって、テープの前側と背側との間における減じられた温度差にわたって熱平衡化されるだけでよい。従ってテープはその厚さにわたってさらに改善されて熱平衡可能となり、これによって、成形体におけるテープの圧着時の機械的な応力がさらに僅かになり、かつ成形体におけるテープの冷却後の、熱に起因する応力も僅かになる。さらにまた、強化構造体を形成するために比較的厚いプラスチックテープを使用することができるので、強化構造体のための製造時間はさらに短くなる。

加熱装置としては、最も簡単な場合には、加熱トンネルを使用することができ、この加熱トンネルを通して、プラスチックテープは成形体表面における載置まで引っ張られる。さらに、テープの前側および／または背側を照射することができる赤外線ダイオードを使用することも可能である。さらにまた、テープの前側および／または背側のための加熱ガス流も可能である。

好ましくは、装置は、テープの、成形体に接触させられる加熱面を加熱するように設計された第１のレーザダイオードアレーに加えて、第２のレーザダイオードアレーを有しており、該第２のレーザダイオードアレーは、テープの、該テープの加熱面とは反対側に位置する背側を照射する、複数のレーザダイオードを有している。

第２のレーザダイオードアレーによって、テープはその厚さ全体にわたって、さらに均一な温度分布を有することができる。第２のレーザダイオードアレーによって照射されたテープ背側は、好ましくは、テープの加熱面のちょうど反対側に配置されているので、テープは加熱面においてその２つの表面から加熱されることになる。

装置の相応の構成によって、硬化後もしくは冷却後における強化構造体の熱応力をさらに僅かにすることができる。テープは成形体表面における載置および圧着の前に再度改善されて熱平衡化されるからである。さらに、相応の装置ではまた、さらに厚いプラスチックテープを使用することも可能なので、強化構造体を有する製品を製造するために比較的短いサイクル時間を実現することができる。

装置の別の好適な実施形態では、少なくとも１つのレーザダイオードアレーは、成形体の、相対運動方向において圧着領域の下流側に配置された加熱面を照射するように合わせられており、しかも、不均一の強度分布を成形体の加熱面において生ぜしめ、このとき成形体の加熱面における放射強度が相対運動方向とは逆向きに少なくとも部分的に低減するような放射領域を放射すべく、レーザダイオードアレーはさらに合わせられている。

その結果、少なくとも部分的に成形体の加熱面は加熱ゾーンの開始領域において、加熱面の終端部に比べて、少なくともより強く加熱される。これによって、成形体の表面も、予め設定された深さに到るまで熱平衡化されることができるので、テープの圧着後および強化構造体およびテープの冷却後に、強化構造体における応力は減じられる。

装置の別の好適な態様では、１つまたは複数のレーザダイオードアレーは、テープおよび成形体の加熱面それぞれを、テープと成形体との接触線の直ぐ前に位置する領域において異なった温度に加熱するように合わせられている。

これによって、成形体とテープとが、場合によっては溶接のために互いに異なる最適温度を有する異なった熱可塑性プラスチックから形成されること、またはそのような異なった熱可塑性プラスチックを少なくとも含んでいることが可能になる。

好ましくは、圧着装置は圧着ローラとして形成されており、該圧着ローラの外面はエラストマ材料から形成されていて、これにより圧着ローラを用いた成形体における、もしくは成形体表面へのテープの圧着時に、圧着ローラとテープとの間における接触面積が、押圧力の上昇と共に増大する。

これによってプラスチックテープと成形体表面との間における結合領域が増大されるので、接触領域における押圧負荷時間を長くすることができ、その結果プラスチックテープと基材もしくは成形体表面との間におけるより緊密な結合が可能になる。このことによってまた、このようにして形成された強化構造体の安定性がさらに高められる。

装置の別の好適な態様では、圧着装置は、テープおよび成形体に接触可能な領域において、１つまたは複数のレーザダイオードアレーから放射される放射線に対して実質的に透明である。

これによって、圧着ローラもしくは圧着装置は、レーザ光によってあまり加熱されなくなり、このことはまた、成形体への減じられた入熱を生ぜしめる。特に、成形体が熱可塑性プラスチックから成っている、または熱可塑性プラスチックを含んでいる場合に、これによって成形体の構造上の完全性（Integritaet）があまり低減されない。

従って、圧着装置がレーザダイオードアレーから放射された放射線に対して実質的に透明であるという特徴は、放射線に対する材料の透過率（Transmissivitaet）が７５％よりも高い、好ましくは８０％よりも高い、さらに好ましくは８５％よりも高い、さらに好ましくは９０％よりも高い、最も好ましくは９５％よりも高いということを意味する。

装置の別の好適な態様では、強化構造体は、圧力容器の支持シェルであり、かつ成形体は、圧力容器の内側容器である。

本発明の根底を成す課題は、さらに、強化構造体を成形体表面に形成する方法によって解決され、このとき強化構造体は、熱可塑性プラスチックを有する繊維強化されたテープを有している。そしてこの方法は、
テープを圧着装置と成形体表面との間に位置決めし、これによりテープの圧着部分を圧着装置および成形体表面に接触させるステップと、
圧着装置を成形体表面に向かって押圧し、これによりテープを成形体表面に圧着させるステップと、
成形体を圧着装置に対して相対運動および／または相対回動させ、これにより成形体と圧着装置とを互いに対して相対運動および／または相対回動させ、これによってテープを成形体表面上に送り込み、このとき圧着装置を、成形体表面に相対運動方向において移動させ、テープを、圧着装置に関して引張り方向に引っ張るステップと、
引張り方向においてテープの圧着領域の上流側に配置された、テープの加熱面を、および／または相対運動方向において圧着領域の下流側に配置された、成形体の加熱面を、レーザダイオードアレーの複数のレーザダイオードを用いて直接かつ介在物なしに照射するステップと、
テープをその加熱面の領域において、および／または成形体表面をその加熱面の領域において、レーザダイオードアレーを用いて局部的に溶融させ、これにより、圧着装置を用いた成形体表面におけるテープの圧着によって、テープを成形体に結合させるステップと、
を有している。

好ましくは、互いに隣接するレーザダイオードの放射方向ベクトルの間における角度を変化させる。この角度の変化は、一方または双方の加熱面の照射前または照射中に行うことができる。

好ましくは、加熱面を照射する前に、引張り方向において加熱面の上流側に配置されたテープを、加熱装置を用いて、予め設定された温度に加熱する。

さらに好ましくは、テープの、該テープの加熱面とは反対側に位置する背側を、第２のレーザダイオードアレーを用いて加熱する。

さらに好ましくは、不均一の強度分布を、成形体の加熱面において生ぜしめ、このとき、成形体の加熱面における放射強度が相対運動方向とは逆向きに少なくとも部分的に低減するような放射領域を、レーザダイオードアレーから放射する。

本発明の別の利点、詳細および特徴については、以下において図面を参照しながら述べる。

圧力容器を断面して示す斜視図である。 本発明に係る強化構造体を形成する装置を、概略的に示す図である。 照射モジュールに配置された、レーザダイオードアレーの一部であるレーザダイオードを備えた、照射モジュールを概略的に示す断面図である。 照射モジュールの放射面に配置された複数のレーザダイオードを備えた、照射モジュールの択一的な構成を示す図である。 照射モジュールの放射面に配置された複数のレーザダイオードを備えた、照射モジュールの択一的な構成を示す図である。 レーザ光強度変化と、強化構造体が形成されるテープの表面の温度変化とを示す線図である。 テープの前側および背側における温度の変化を、位置に関連して示す線図である。 テープおよび成形体の加熱面における強度変化および温度変化を示す図である。 成形体が圧力容器の内側容器である、本発明に係る強化構造体を形成する装置を概略的に示す断面図である。 本発明の別の実施形態による、本発明に係る装置を概略的に示す断面図である。 本発明に係る強化構造体を形成する装置を示す斜視図である。 図８に示した装置を別の視線方向から見た図である。

以下の記載において同じ符号は、同じ部材もしくは同じ特徴を示すので、１つの図面に関連して行われた、部材に関する説明は、他の図面に対しても通用し、従って、説明を繰り返すことは避ける。さらに個々の実施形態の異なる特徴を互いに自由に組み合わせることが可能である。

図１には圧力容器１が、断面されて斜視図で示されている。この圧力容器１は、通常、熱可塑性プラスチックから成っている内側容器１０を有している。しかしながら少なくとも、内側容器１０の外面は、熱可塑性プラスチックから形成されている。図１からさらに分かるように、圧力容器１の開口２は、接続エレメント３によって形成される。より正確に言えば、開口２は、接続エレメント３のネック部分によって形成される。接続エレメント３の肩部分およびネック部分は、圧力容器１の内側容器１０に例えば素材結合式（stoffschluessig）および／または力結合式（kraftschluessig）および／または形状結合式（formschluessig）に結合されている。

圧力容器１を、圧力下にある気体または液体を収容するためにも適しているようにするために、内側容器１０は、支持シェル２０として形成された強化構造体２０を備える必要がある。このとき支持シェル２０は、圧力容器１の内側容器１０全体を取り囲んでいるので、圧力容器１は該圧力容器１に対する圧力負荷時に、大幅に減じられた膨張を有する。さらに支持シェル２０の提供によって初めて、圧力容器１に２５０バール〜７００バールの圧力を加えることが可能になる。

図１からさらに分かるように、圧力容器１の端部領域には、キャップ５０として形成された衝突保護体５０が設けられている。このキャップ５０は、軸方向において圧力容器１に加えられた力をより大きな面積に分散させる。少なくとも１つの軸方向要素を有するこのような力は、例えば事故または圧力容器の転倒時に発生することがある。

図２には、熱可塑性プラスチックを有する繊維強化されたテープ３０を有する強化構造体２０を、成形体表面１１において形成する装置が、概略図で示されている。図２に示した実施形態において、成形体１０はフラットな基材１０である。しかしながら本発明は、フラットな基材１０が強化構造体２０を備えていることに制限されるものではない。むしろ本発明に係る装置によって、任意の幾何学形状をもって形成されかつ任意に寸法設定された基材１０もしくは成形体１０が、強化構造体２０を備えることができる。例えば特に本発明に係る装置によって、図１に示した内側容器１０に支持シェル２０を設けることが可能であり、このとき支持シェル２０として形成された強化構造体２０は、熱可塑性プラスチックを有する繊維強化されたテープ３０を有している。図９〜図１２に示した本発明に係る装置は、圧力容器１の内側容器１０に支持シェル２０を設けるために形成されている。テープ３０の繊維強化は、例えばガラス繊維を用いてまたは好ましくは炭素繊維を用いて行うことができる。

図２に戻ると、本発明に係る装置は、成形体表面１１にもしくは既に形成された強化構造体２０の表面１１にテープ３０を圧着させるための、圧着ローラ４０として形成された圧着装置４０を有している。テープ３０はこのとき成形体１０と圧着ローラ４０との間にサンドイッチ状に配置されている。従ってテープ３０は圧着ローラ４０と成形体表面１１との間において、テープ３０の圧着部分３１が圧着ローラ４０および成形体表面１１に、もしくは既に形成された強化構造体２０の表面に接触するように位置決めされており、これによってテープ３０に、圧着ローラ４０を用いて成形体表面１１に向かって力を加えることができる。

図１１および図１２から分かるように、装置はさらに移動装置および／または回転装置６０を有しており、この移動装置および／または回転装置６０は、成形体１０および／または圧着ローラ４０に運動を伝達するように連結されているので、圧着ローラ４０に対する成形体１０の相対運動および／または相対回動を得ることができる。図１１および図１２に示した実施形態では、単に１つの回転装置６０が示されており、この回転装置６０を用いて、成形体１０は回転可能である。移動装置および／または回転装置６０は、しかしながらさらにまた例えば、図面には示されていないロボットアームを有しており、このロボットアームを用いて、照射モジュール１００を圧着ローラ４０に対しておよび成形体１０に対して移動および／または回転させることができる。移動装置および／または回転装置６０によって、テープ３０を成形体表面１１上に載置することができ、このとき圧着ローラ４０は成形体表面１１に対して相対運動方向Ｒ１において移動し、これによってテープ３０は、圧着ローラ４０に対して引張り方向Ｒ２において、例えば図示されていない貯えローラから引き出される、もしくは繰り出される。

装置はさらに少なくとも１つの照射モジュール１００を有しており、この照射モジュール１００は、さらに少なくとも１つのレーザダイオードアレー１１０を有している。さらにレーザダイオードアレー１１０は、複数のレーザダイオード１１１を有している（図３〜図５参照）。照射モジュール１００は、成形体１０とのテープ３０の接触領域に向かい合って位置するように配置されており、これによって照射モジュール１００を用いて、より正確に言えばレーザダイオードアレー１１０を用いて、引張り方向Ｒ２においてテープ３０の圧着領域３１の上流側に配置された、テープ３０の加熱面３２と、相対運動方向Ｒ１において圧着領域３１の下流側に配置された、成形体１０の加熱面１２とが可能になる。図２から分かるように、レーザダイオードアレー１１０は２つの放射円錐１１２を生ぜしめ、このとき上側に示した放射円錐１１２を用いて、テープ３０の加熱面３２が放射され、図２において下側に示した放射円錐１１２を用いて、成形体表面１１の加熱面１２もしくは既に形成された強化構造体２０の加熱面１２が照射される。

もちろん、照射モジュール１００もしくはレーザダイオードアレー１１０から、単にただ１つの放射円錐１１２だけが放射されてもよい（図９〜図１２参照）。さらに、レーザダイオードアレー１１０から放射された放射領域は、テープ３０もしくは成形体１０における放射領域の衝突角度が可変であるにもかかわらず、つまり加熱面３２もしくは加熱面１２が湾曲された構成を有している場合に、加熱面１２もしくは加熱面３２における放射強度Ｉが所望の値を有するように、構成されていてもよい。具体的に言えばこのことは、加熱面１２もしくは加熱面３２におけるレーザ光の可変の衝突角度にもかかわらず、加熱面１２，３２における放射強度Ｉは、一定であるように、または少なくとも部分的に低下するように、または少なくとも部分的に上昇するようになっていてもよい、ということを意味する。その限りでは制限は存在しない。

図面から分かるように、テープ３０の加熱面３２および、成形体表面１１の加熱面１２もしくは既に形成された強化構造体２０の加熱面１２は、レーザダイオードアレー１１０を用いて直接かつ結像光学系なしに照射されかつ加熱される。それぞれのレーザダイオード１１１は、ＶＣＳＥＬ（英語：vertical-cavity surface-emitting laser 垂直共振器面発光レーザ）とも呼ばれるいわゆるサーフェスエミッタ１１１である。相応に形成されたレーザダイオード１１１は、比較的僅かな放射発散を有しているので、高い強度を加熱面１２，３２において得ることができ、照射モジュール１００と加熱面１２，３２との間における加工間隔を増大させることができ、照射モジュール１００と加熱面１２，３２との間における結像光学系を回避することができる。

テープ３０の加熱面３２と、成形体１０の加熱面１２もしくは既に形成された強化構造体２０の加熱面１２とを照射することによって、テープ３０はその加熱面３２の領域において局部的に溶融させられ、かつ成形体表面１１もしくは強化構造体２０は、その加熱面１２の領域において局部的に溶融させられ、その結果、圧着ローラ４０を用いた成形体表面１１におけるテープ３０の圧着によって、テープ３０は成形体１０に結合される。既に形成された強化構造体２０に新たに載置されたテープ３０と強化構造体２０もしくは成形体１０の表面との間における緊密な結合を達成するために、圧着ローラ４０には、成形体表面１１に向けられた力Ｆが加えられる。

図３には、本発明に係る装置の照射モジュール１００が概略的に横断面図で示されている。この図面から分かるように、照射モジュール１００は、３つの放射面１０１，１０２，１０３を有している。このとき第１の放射面１０１および第３の放射面１０３には、各１つのレーザダイオード１１１が配置されており、これに対して第２の放射面１０２には２つのレーザダイオード１１１が配置されている。しかしながら本発明は、相応の数のレーザダイオードに制限されるものではない。むしろ個々の放射面には複数のレーザダイオード１１１が配置されている。さらに本発明は、単に２つまたは３つの放射面を有することに制限されるものではなく、照射モジュールは、各１つのレーザダイオード１１１またはそれぞれ複数のレーザダイオード１１１が配置されている複数の放射面を有することも可能である。このとき各放射面１０１，１０２，１０３は、テープの加熱面３２におよび成形体１０の加熱面１２にも向けられている。

図３から分かるように、３つの放射面１０１，１０２，１０３の法線ベクトル（Normalenvektor）は、互いに平行に延びておらず、加熱面１２，３２に向かって互いに近づくように向けられている。その結果、それぞれの面１０１，１０２，１０３に配置されたレーザダイオード１１１の放射方向ベクトルもまた、互いに平行ではなく、加熱面１２，３２に向かって互いに近づくように向けられている。これによって各レーザダイオード１１１の放射発散が補償され、その結果放射モジュール１００と加熱面１２，３２との間における比較的大きな加工間隔を得ることができ、さらに、テープ３０および成形体１０を加熱するのに必要な強度を実現することができる。さらにまた、照射モジュール１００の相応の構成によって、照射モジュール１００と成形体１０との間における結像光学系（Abbildungsoptik）もしくは視準光学系（Kollimationsoptik）を回避することができる。

図４に示した照射モジュール１００の変化形態では、照射モジュール１００はただ１つの放射面１０４しか有しておらず、しかしながらこの放射面１０４は凹面状に形成されている。放射面１０４には、複数のレーザダイオード１１１が配置されており、このときレーザダイオードアレー１１０の、互いに間隔をおいて配置されたレーザダイオード１１１は、該レーザダイオード１１１を取り囲む放射面１０４のそれぞれの局部的な法線ベクトルに対して平行に向けられた放射方向ベクトルを有しているので、レーザダイオード１１１からの放射方向ベクトルも互いに平行に向けられているのではなく、加熱面１２，３２に向かって互いに近づくように向けられている。これによって新たに、それぞれのレーザダイオード１１１の放射発散が補償され、その結果、一方では加熱面１２，３２における高い強度を得ることができ、照射モジュール１００と加熱面１２，３２との間における間隔を増大させることができ、かつさらに照射モジュール１００と加熱面１２，３２との間における視準光学系が必ずしも必要ではなくなる。

図５には、照射モジュール１００の別の変化形態が概略的に横断面図で示されている。この図５から分かるように、照射モジュールは３つのセグメントを有していて、これらのセグメントは相応に３つの放射面１０１，１０２，１０３を有している。このとき第１の放射面１０１および第３の放射面１０３には各１つのレーザダイオード１１１が配置されており、これに対して第２の放射面１０２には２つのレーザダイオード１１１が配置されている。しかしながら本発明は、相応の数のレーザダイオードに制限されるものではない。むしろ個々の放射面に複数のレーザダイオード１１１が配置されている。さらに本発明は、特に図５に示したレーザモジュール１００の本実施形態は、単に２つまたは３つの放射面を有することに制限されるものではなく、照射モジュール１００は、各１つのレーザダイオード１１１またはそれぞれ複数のレーザダイオード１１１が配置されている複数の放射面を有することも可能である。このとき各放射面１０１，１０２，１０３は、テープ３０の加熱面３２におよび成形体１０の加熱面１２にも向けられている。

図５から分かるように、放射面１０１，１０２，１０３の法線ベクトルは、互いに平行に延びておらず、加熱面１２，３２に向かって互いに近づくように向けられている。しかしながら照射モジュール１００は、照射モジュールの個々のセグメントもしくは照射モジュール１００の放射面１０１，１０２，１０３が互いに平行に延びるように形成されていてもよい。

さらに図５が示すように、照射モジュール１００の左右に配置されたセグメントは、照射モジュール１００の真ん中のセグメントに関して角度可変であり、つまり隣接した２つの放射面によって形成された角度は、可変である。より正確に言えば、放射面１０１と放射面１０２との間における角度は可変である。図示の実施形態では、左側に示したセグメントは、出発位置から反時計回り方向に回転させられている（破線で示したセグメント）ので、左側に示したレーザダイオード１１１から放射された放射円錐１１２（一点鎖線で図示）は、反時計回り方向に回転させられている。これによって、加熱面３２，１２の特定領域における強度が高められる。それというのは、放射円錐が加熱面においてオーバラップするからである。さらに図５から分かるように、照射モジュール１００の右側に示したセグメントも同様に、反時計回り方向に傾動もしくは回転させられている。これは、図１２において右側に示したストライキ路（Streikweg）１１２の相応の傾動を伴う（一点鎖線で図示）。

しかしながら本発明は、照射モジュール１００の個々のセグメントがそれぞれ同じ向きで傾動させられることに制限されるものではない。照射モジュール１００の個々のセグメントの互いに逆向きに向けられた傾動も、同様に可能である。

図１２には示されていないが、個々のセグメントの回転もしくは傾動は電動機によって行うことができる。同様に、圧電装置を用いた個々のセグメントの駆動が可能である。さらにまた、個々のセグメントが、互いに代替可能な理論上のセグメントに配置されていることも可能である。

個々のレーザダイオード１１１が照射モジュール１００の種々異なったセグメントに配置されているにもかかわらず、レーザダイオード１１１は、それにもかかわらず、同一のレーザダイオードアレー１１０，１２０の一部である。

しかしながらまた、照射モジュール１００の個々のセグメントに、互いに異なるレーザダイオードアレーが配置されていることも可能である。このとき異なったレーザダイオードアレーの制御は調整された（koordiniert）形式で行われるので、所望の放射強度変化を加熱面１２，３２において得ることができる。

図２に戻って説明すると、図２に示した装置は次のように構成されている。すなわちこの場合レーザダイオードアレー１１０は、不均一な強度分布をテープ３０の加熱面３２において生ぜしめる放射領域を、放射するように合わせられている。このとき加熱面３２における強度分布は、加熱面３２における放射強度が引張り方向Ｒ２において少なくとも部分的に低減するようになっている。加熱面３２の放射領域の、図２において右側に略示された強度変化では、強度は加熱面３２の長さにわたって単調に低減するように示されている。しかしながら本発明は、相応の強度変化に制限されるものではなく、むしろレーザダイオードアレー１１０は、少なくとも部分的に、つまり加熱面３２の長さの一部にわたって強度が低減することが保証されている限り、任意の強度変化が加熱面３２の長さにわたって可能であるように構成されていてもよい。

テープ３０の加熱面３２の相応の照射によって、加熱面３２の照射の始めに、つまり加熱面３２の、成形体１０から最も離れている領域において、テープ３０もしくはテープ３０の前側が最高に加熱されるので、テープ３０の前側と背側との間には大きな温度差が生じる。このときテープ３０の前側は、照射モジュール１００に向けられた側である。テープ３０の前側とテープ３０の背側との間における大きな温度勾配に基づいて、テープ３０の迅速な熱平衡（Thermalisierung）が、テープ３０の厚さにわたって行われる。加熱面３２における照射強度が引張り方向Ｒ２の方向において低減することによって、テープ３０の前側は引き続き加熱される、もしくは温度を保たれるが、テープ３０の背側は、テープ３０の前側の温度に同化するための十分な時間を有している。

これによって、大部分が熱平衡化された（thermalisiert）テープ３０が、圧着ローラ４０と成形体１０もしくは形成された強化構造体２０との間に配置されることになる。厚さにわたるテープ３０の熱平衡に基づいて、成形体表面１１もしくは既に形成された強化構造体２０の表面におけるテープ３０の圧着によって、テープ３０は均一に変形し、その結果強化構造体２０は、比較的僅かな機械的な応力しか有しない。さらに強化構造体２０は、冷却後に減じられた応力を有するので、強化構造体２０は、従来技術に基づいて公知の汎用の、強化構造体を形成する装置における強化構造体よりも安定的に形成されている。

図２から分かるように、レーザダイオードアレー１１０はさらに、相対運動方向Ｒ１において圧着領域３１の下流側に配置された、成形体の加熱面１２もしくは既に形成された強化構造体２０の加熱面１２を、加熱するように構成されている。このときレーザダイオードアレー１１０は、次のように構成されている。すなわちこの場合、不均一な強度分布を加熱面１２において生ぜしめるような放射領域が加熱面１２において生ぜしめられ、このとき不均一な強度分布は、加熱面１２における放射強度が相対運動方向Ｒ１とは逆向きに少なくとも部分的に低減することによって生じる。加熱面１２の長さにわたる強度変化は、成形体１０の下に略示されている。

図示の実施形態では、強度は加熱面１２の長さｓにわたって単調に低減している。しかしながら本発明は、相応の強度変化に制限されるものではない。それというのは、強度は、長さｓの一部にわたる強度変化の低減が保証されている限り、長さｓに関連した任意の変化を有することができるからである。

レーザダイオードアレー１１０の相応の形成によって、基材１０の表面１１、もしくは既に形成された強化構造体２０の表面１１は、熱平衡化のために十分な時間を有することになる。それというのは、加熱面１２の長さの始めに、加熱面１２には高い強度が加えられ、これによって強化構造体２０の上側と下側との間に大きな温度差が生ぜしめられ、その結果、高い熱伝達が得られるからである。加熱面１２の長さｓにわたって、強度は次いで連続的に低減するので、既に形成された強化構造体２０内への比較的僅かな入熱（Waermeeintrag）が得られる。

圧着部分３１の領域におけるテープ３０の圧着によって、加熱されたテープ３０は、加熱された強化構造体２０にプレス固定（verpressen）され、このときテープ３０は、その厚さにわたって大部分が熱平衡化されていて、かつ強化構造体２０も予め設定された厚さにわたって熱平衡化されているので、テープ３０と既に形成された強化構造体２０とのプレス固定後、および後続の冷却後には、僅かな熱応力しか残っていないので、強化構造体２０は高い安定性を有している。

図２から分かるように、照射モジュール１００および特にレーザダイオードアレー１１０は、データを伝達するために制御装置１４０に接続されている。この制御装置１４０を用いて、個々のダイオード１１１の、レーザダイオードアレー１１０によって設定される強度は、自由に調節可能である。

図２および他の図面にも示されていないが、制御装置１４０はさらに移動装置および／または回転装置６０に連結されていてもよく、その結果、テープ３０および成形体１０もしくは既に形成された強化構造体２０の、成形体１０に対する照射モジュール１００の相対的な位置決めによって調整された照射が可能である。

さらに図２から分かるように、装置はさらに加熱装置７０を有しており、この加熱装置７０を用いて、引張り方向Ｒ２において加熱面３２の上流側に配置されたテープ３０は、予め設定された温度に加熱可能である。このとき加熱装置７０は、例えば赤外線放射器によって、特に赤外線ダイオードによって実現されていてもよく、このような赤外線放射器は、テープ３０の前側および背側を照射する。しかしながらまた加熱装置７０を、それを通してテープ３０が引き通される炉７０として実現することも可能である。さらに、加熱装置７０が熱気を用いてテープ３０の前側および背側を加熱するような構成も可能である。

このとき加熱装置７０によって、テープはその前側および背側において、ひいてはその厚さにわたって、予め設定された温度に加熱され、このときこの温度は、テープ３０の熱可塑性プラスチックの溶融温度未満である。

テープ３０は、このとき既にある程度の温度に予加熱されているので、成形体１０もしくは既に形成された強化構造体２０の表面１１に素材結合式に、例えば溶接によって結合されるためには、レーザダイオードアレー１１０から放射されたレーザ光を用いて、テープ３０は、単になお減じられた温度だけ加熱されればよい。

加熱装置７０は、テープ３０のさらに改善された熱平衡を生ぜしめ、これによって強化構造体２０にはその冷却後に、さらにより僅かな熱応力しか残らないので、これにより強化構造体２０はさらに高い安定性を有することになる。

さらに、テープ３０はその前側においても背側においても加熱され、ひいては熱平衡化されるので、比較的大きな厚さを有するテープ３０を使用することも可能である。これによって比較的厚いテープ３０を、成形体１０に載置することができ、その結果、強化構造体２０を形成するためには、比較的僅かな数の個別層のテープ材料だけが必要であり、その結果、強化構造体２０を有する成形体１０を製造するためのサイクル時間は、減じられている。

照射モジュール１００から、より正確に言えばレーザダイオードアレー１１０から放射されたレーザ光の波長は、好ましくは赤外線帯域にあり、特に７５０ｎｍ〜１４００ｎｍの波長帯域にある。この波長帯域において、テープ３０および成形体１０が形成されている熱可塑性プラスチックは、特に高い吸収係数を有している。

圧着ローラ４０および特に圧着ローラ４０の外面は、テープ３０および成形体１０に接触可能な領域において、レーザダイオードアレー１１０から放射された放射線に対して実質的に透明である。さらに圧着ローラ４０および特に圧着ローラ４０の外面は、エラストマ材料から形成されていてもよいので、圧着ローラ４０を用いた成形体１０におけるテープ３０の圧着時に、圧着ローラ４０とテープ３０との間における接触面積は、加えられる力の増大と共に大きくなる。

図６には、加熱面３２における放射領域の強度変化およびテープ３０の前側における温度変化が、加熱面３２の長さｓに関連して略示されている。加熱面３２の上端部において強度は最高であるので、テープ３０の前側は最高に加熱される。その結果、温度勾配もまた加熱面３２の始めに最高に大きい。引張り方向Ｒ２において、つまり加熱面３２の、成形体に向けられた長さにおいて、強度は、最高強度Ｉｍａｘから最低強度Ｉｍｉｎに向かって連続的に低減し、その結果、テープ３０の前側の温度は、前側の温度がテープ３０の出発温度Ｔ０から目標温度Ｔｓに加熱されるまで、引張り方向Ｒ２においてゆっくりと上昇する。

図７には、テープの前側の温度変化Ｔｖおよびテープ３０の背側の温度Ｔｒが、概略的に示されている。この図面から分かるように、前側の温度Ｔｖは比較的速く目標温度Ｔｓに加熱され、テープ３０の背側の温度Ｔｒは遅れて目標温度Ｔｓに上昇する。しかしながら図面から分かるように、加熱面３２の長さの終わりに、テープ３０の前側の温度Ｔｖと背側の温度Ｔｒとは実質的に互いに同じである。

図８は、長さｓにおけるテープ３０の加熱面３２のための強度変化および温度変化と、既に形成された強化構造体２０の加熱面１２の相対運動方向Ｒ１とは逆向きの長さｓに沿った強度変化および温度変化とを、概略的に示す図である。図８から分かるように、テープ３０の加熱面３２における強度変化は、高い強度Ｉから比較的低い強度Ｉへと低下し、このときテープの温度は、出発温度から目標温度Ｔｓへと連続的に上昇する。同じことは、加熱面１２における強度変化に対しても言える。強度は、相対運動方向Ｒ１とは逆向きに連続的に低減し、これに対して加熱面１２の温度は、相対運動方向Ｒ１とは逆向きに、目標温度Ｔｓに向かって連続的に上昇する。

テープ３０および成形体１０の表面１１もしくは既に形成された強化構造体２０の表面は、好ましくは同じ温度Ｔｓに加熱されるので、強化構造体２０の冷却後には、最小の熱応力しか、および可能であれば熱応力は残っていない。

図９には、図１に示した装置が再度簡単化されて示されており、この図９では成形体１０として、横断面図で示された、圧力容器１の内側容器１０が示されている。さらにレーザダイオードアレー１１０は、単にただ１つの放射円錐１１２を放射するように形成されており、この放射円錐１１２を用いて、テープ３０および内側容器１０もしくは既に内側容器１０に形成された強化構造体２０が照射される。しかしながらその他の機能は、図２に示した装置の機能と同一であるので、図２に対する記載を参照するものとする。

図１０には、本発明に係る装置の別の構成が示されており、この構成は、第１のレーザダイオードアレー１１０に加えて、第２のレーザダイオードアレー１２０を有している。この第２のレーザダイオードアレー１２０も、複数のレーザダイオード１１１を有していて、これらのレーザダイオード１１１は、テープ３０の、該テープ３０の加熱面３２とは反対側に位置している背側を照射するために形成されている。装置の相応の構成によって、テープ３０の前側の温度とテープ３０の背側の温度とを、さらに改善して、互いに同化させることが可能になり、これによって、強化構造体２０の冷却後により安定的な強化構造体２０が生ぜしめられる。それというのは、このとき強化構造体２０内に比較的僅かな熱応力しか残っていないからである。さらに図１０から分かるように、第１のレーザダイオードアレー１１０は単にただ１つの放射円錐１１２を放射し、この放射円錐１１２は、テープ３０および成形体１０もしくは既に形成された強化構造体２０を照射する。

図１１および図１２には、図２および図９に示した装置が斜視図で示されている。この図１１および図１２から分かるように、圧着ローラ４０は保持装置４１を用いて保持されていて、このとき保持装置４１を用いて、圧力Ｆを、成形体１０に向かう方向で圧着ローラ４０に加えることができる。

図１０および図１１において円筒セグメント１０として簡単化して示された成形体１０は、移動装置および／または回転装置６０を用いて回転させられる。

さらに図１０および図１１から分かるように、照射モジュール１００には冷却水接続部１０６が設けられており、これらの冷却水接続部１０６を用いて、照射モジュール１００およびレーザダイオードアレー１１０が冷却可能である。照射モジュール１００から放射された放射領域は、圧着ローラ４０と成形体１０との間における接触領域を照射する。

レーザダイオードアレー１１０は、上に記載のレーザ光強度変化が加熱面３２および加熱面１２において実現され得るように制御可能である。

装置はさらに、赤外線カメラ１５０として形成された画像監視装置１５０を有しており、この画像監視装置１５０の観察円錐１５１内には、圧着ローラ４０と成形体１０との間の接触領域が配置されている。これによって、図１０および図１１には示されていないテープ３０および成形体１０もしくは既に形成された強化構造体２０の温度変化を検出することができる。例えばフィードバックループを介してレーザダイオードアレー１１０は、テープ３０および成形体１０もしくは既に形成された強化構造体２０の温度が実質的に同じ温度に加熱されるように制御されることができる。

１ 圧力容器
２ 開口（圧力容器の）
３ 接続エレメント（圧力容器の）
１０ 成形体／基材／圧力容器の内側容器
１１ 成形体表面
１２ 加熱面（成形体の／強化構造体の）
２０ 強化構造体／支持シェル（圧力容器の）
３０ テープ
３１ 圧着領域／圧着部分（テープの）
３２ 加熱面（テープの）
４０ 圧着装置／圧着ローラ
４１ 保持装置（圧着装置の）
５０ 衝突保護体
６０ 移動装置および／または回転装置
７０ 加熱装置
１００ 照射モジュール
１０１，１０２，１０３ 放射面（照射モジュールの）
１０４ 放射面（照射モジュールの）
１０６ 冷却水接続部（照射モジュールの）
１１０ （第１の）レーザダイオードアレー
１１１ レーザダイオード／サーフェスエミッタ／ＶＣＳＥＬ（レーザダイオードアレーの）
１１２ 放射円錐（（第１の）レーザダイオードアレーの）
１２０ （第２の）レーザダイオードアレー
１２２ 放射円錐（（第２の）レーザダイオードアレーの）
１３０ 放射方向ベクトル（第１のレーザダイオードの）
１４０ 制御装置（レーザダイオードアレー用の）
１５０ 画像監視装置／赤外線カメラ
１５１ 観察円錐
Ｆ 圧着力
Ｉ 放射強度
Ｉｍｉｎ 最低放射強度
Ｉｍａｘ 最高放射強度
Ｒ１ 相対運動方向
Ｒ２ 引張り方向
ｓ 加熱区間／長さ（それぞれの加熱面の）
Ｔｖ テープの前側の温度
Ｔｒ テープの背側の温度
Ｔｓ テープの目標温度
Ｔ０ テープの出発温度

Claims (20)

1. 熱可塑性プラスチックを有する繊維強化されたテープ（３０）を有する強化構造体（２０）を、成形体表面（１１）に形成する装置であって、
   前記装置は、前記成形体表面（１１）に前記テープ（３０）を圧着させる圧着装置（４０）を有し、
   前記テープ（３０）は前記圧着装置（４０）と前記成形体表面（１１）との間に位置決め可能であり、このとき前記テープ（３０）の圧着部分（３１）を前記圧着装置（４０）および前記成形体表面（１１）に接触させることができ、これにより前記テープ（３０）を、前記圧着装置（４０）を用いて前記成形体表面（１１）に向かって押圧することができ、
   前記装置は、移動装置および／または回転装置（６０）を有し、該移動装置および／または回転装置（６０）は、成形体（１０）および／または前記圧着装置（４０）に運動を伝達するように連結されており、これにより前記圧着装置（４０）に対する前記成形体（１０）の相対運動および／または相対回動を得ることができ、これによって前記テープ（３０）は前記成形体表面（１１）上に送り込むことができ、このとき前記圧着装置（４０）は、前記成形体表面（１１）に相対運動方向（Ｒ１）において移動し、前記テープ（３０）は、前記圧着装置（４０）に関して引張り方向（Ｒ２）に引っ張られ、
   前記装置は、前記引張り方向（Ｒ２）において前記テープ（３０）の圧着領域（３１）の上流側に配置された、前記テープ（３０）の加熱面（３２）を照射するための、および／または前記相対運動方向（Ｒ１）において前記圧着領域（３１）の下流側に配置された、前記成形体（１０）の加熱面（１２）を照射するための、複数のレーザダイオード（１１１）を備えた少なくとも１つのレーザダイオードアレー（１１０，１２０）を有し、
   前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）を用いた照射によって、前記テープ（３０）はその加熱面（３２）の領域において局部的に溶融可能であり、および／または前記成形体表面（１１）はその加熱面（１２）の領域において局部的に溶融可能であり、これにより前記圧着装置（４０）を用いた前記成形体表面（１１）における前記テープ（３０）の圧着によって、前記テープ（３０）が前記成形体（１０）に結合可能である、
   装置において、
   前記装置は、前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）が前記テープ（３０）の前記加熱面（３２）および／または前記成形体表面（１１）の前記加熱面（１２）または既に形成された前記強化構造体（２０）の加熱面（１２）を直接照射するように形成されており、
   前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）の前記レーザダイオード（１１１）は、サーフェスエミッタ（１１１）として形成されている
   ことを特徴とする、強化構造体を成形体表面に形成する装置。
2. 少なくとも２つのレーザダイオード（１１１）の放射方向ベクトルが、互いに平行に向けられておらず、一方または双方の前記加熱面（１２，３２）に向かって互いに近づくように向けられている、請求項１記載の装置。
3. 前記装置は、前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）を有する照射モジュール（１００）を有し、
   前記照射モジュール（１００）は、前記テープ（３０）の前記加熱面（３２）および／または前記成形体（１０）の前記加熱面（１２）にそれぞれ向けられた少なくとも２つの放射面（１０１，１０２，１０３）を有し、
   前記放射面（１０１，１０２，１０３）のそれぞれに、前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）の少なくとも１つのレーザダイオード（１１１）が配置されており、該レーザダイオード（１１１）の放射方向ベクトルは、前記放射面（１０１，１０２，１０３）の法線ベクトルに対して平行に向けられており、
   互いに隣接する２つの放射面（１０１，１０２，１０３）によって形成された角度が、可変である、
   という特徴を有する、請求項１または２記載の装置。
4. 前記装置は、前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）を有する照射モジュール（１００）を有し、
   前記照射モジュール（１００）は、前記テープ（３０）の前記加熱面（３２）および／または前記成形体（１０）の前記加熱面（１２）にそれぞれ向けられた少なくとも２つの放射面（１０１，１０２，１０３）を有し、
   前記放射面（１０１，１０２，１０３）のそれぞれに、前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）の少なくとも１つのレーザダイオード（１１１）が配置されており、１つまたは複数の前記レーザダイオード（１１１）の放射方向ベクトルは、前記放射面（１０１，１０２，１０３）の法線ベクトルに対して平行に向けられており、
   前記放射面（１０１，１０２，１０３）の前記法線ベクトルは、互いに平行に向けられておらず、一方または双方の前記加熱面（１２，３２）に向かって互いに近づくように向けられている、
   という特徴を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 前記装置は、前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）を有する照射モジュール（１００）を有し、
   前記照射モジュール（１００）は、前記テープ（３０）の前記加熱面（３２）および／または前記成形体（１０）の前記加熱面（１２）に向けられた少なくとも１つの放射面（１０４）を有し、
   １つまたは複数の前記放射面（１０４）は、凹面状に形成されており、
   前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）の前記レーザダイオード（１１１）は、互いに間隔をおいて前記放射面（１０４）に配置されており、前記レーザダイオード（１１１）の各放射方向ベクトルは、前記レーザダイオード（１１１）を取り囲む前記放射面（１０４）の局部的な法線ベクトルに対して平行に向けられており、これにより少なくとも２つのレーザダイオード（１１１）の前記放射方向ベクトルは、互いに平行に向けられておらず、一方または双方の前記加熱面（１２，３２）に向かって互いに近づくように向けられている、
   という特徴を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）の前記レーザダイオード（１１１）は、互いに少なくとも部分的に互いに等間隔でない間隔をおいて位置している、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）の個々のレーザダイオード（１１１）の放射出力が、制御装置（１４０）を用いて別個に調節可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 不均一の強度分布を前記テープ（３０）の前記加熱面（３２）において生ぜしめ、このとき前記テープ（３０）の前記加熱面（３２）における放射強度が前記引張り方向（Ｒ２）において少なくとも部分的に低減するような放射領域を放射すべく、前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）は合わせられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記装置は、さらに加熱装置（７０）を有し、該加熱装置（７０）を用いて、前記引張り方向（Ｒ２）において前記加熱面（３２）の上流側に配置された前記テープ（３０）が、予め設定された温度に加熱可能である、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 前記装置は、前記テープ（３０）の、前記成形体（１０）に接触させられる前記加熱面（３２）を加熱するように設計された第１のレーザダイオードアレー（１１０）に加えて、第２のレーザダイオードアレー（１２０）を有し、
    前記第２のレーザダイオードアレー（１２０）は、前記テープ（３０）の、該テープ（３０）の前記加熱面（３２）とは反対側に位置する背側を照射する、複数のレーザダイオード（１１１）を有している、
    という特徴を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 前記少なくとも１つのレーザダイオードアレー（１１０，１２０）は、前記成形体（１０）の、相対運動方向（Ｒ１）において前記圧着領域（３１）の下流側に配置された前記加熱面（１２）を照射するように合わせられており、しかも、不均一の強度分布を、前記成形体（１０）の前記加熱面（１２）において生ぜしめ、このとき、前記成形体（１０）の前記加熱面（１２）における放射強度が前記相対運動方向（Ｒ１）とは逆向きに少なくとも部分的に低減するような放射領域を放射すべく、前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）はさらに合わせられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. １つまたは複数のレーザダイオードアレー（１１０，１２０）は、前記テープ（３０）および前記成形体（１０）の前記加熱面（１２，３２）それぞれを、前記テープ（３０）と前記成形体（１０）との接触線の直ぐ前に位置する領域において異なった温度に加熱するように合わせられている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 前記圧着装置（４０）は圧着ローラ（４０）として形成されており、該圧着ローラ（４０）の外面はエラストマ材料から形成されていて、これにより前記圧着ローラ（４０）を用いた前記成形体（１０）における前記テープ（３０）の圧着時に、前記圧着ローラ（４０）と前記テープ（３０）との間における接触面積が、押圧力の上昇と共に増大する、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。
14. 前記圧着装置（４０）は、前記テープ（３０）および前記成形体（１０）に接触可能な領域において、１つまたは複数の前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）から放射される放射線に対して実質的に透明である、請求項１から１３までのいずれか１項記載の装置。
15. 前記強化構造体（２０）は、圧力容器（１）の支持シェル（２０）であり、かつ前記成形体（１０）は、前記圧力容器（１）の内側容器（１０）である、請求項１から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. 熱可塑性プラスチックを有する繊維強化されたテープ（３０）を有する強化構造体（２０）を、成形体表面（１１）に形成する方法であって、
    前記テープ（３０）を圧着装置（４０）と前記成形体表面（１１）との間に位置決めし、これにより前記テープ（３０）の圧着部分（３１）を前記圧着装置（４０）および前記成形体表面（１１）に接触させるステップと、
    前記圧着装置（４０）を前記成形体表面（１１）に向かって押圧し、これにより前記テープ（３０）を前記成形体表面（１１）に圧着させるステップと、
    成形体（１０）を前記圧着装置（４０）に対して相対運動および／または相対回動させ、これにより前記成形体（１０）と前記圧着装置（４０）とを互いに対して相対運動および／または相対回動させ、これによって前記テープ（３０）を前記成形体表面（１１）上に送り込み、このとき前記圧着装置（４０）を、前記成形体表面（１１）に相対運動方向（Ｒ１）において移動させ、前記テープ（３０）を、前記圧着装置（４０）に関して引張り方向（Ｒ２）に引っ張るステップと、
    前記引張り方向（Ｒ２）において前記テープ（３０）の圧着領域（３１）の上流側に配置された、前記テープ（３０）の加熱面（３２）を、および／または前記相対運動方向（Ｒ１）において前記圧着領域（３１）の下流側に配置された、前記成形体（１０）の加熱面（１２）を、レーザダイオードアレー（１１０，１２０）の複数のレーザダイオード（１１１）を用いて直接かつ介在物なしに照射するステップと、
    前記テープ（３０）をその加熱面（３２）の領域において、および／または前記成形体表面（１１）をその加熱面（１２）の領域において、前記レーザダイオードアレー（１１０，１２０）を用いて局部的に溶融させ、これにより、前記圧着装置（４０）を用いた前記成形体表面（１１）における前記テープ（３０）の圧着によって、前記テープ（３０）を前記成形体（１０）に結合させるステップと、
    を有することを特徴とする、強化構造体を成形体表面に形成する方法。
17. 互いに隣接するレーザダイオード（１１１）の放射方向ベクトルの間における少なくとも１つの角度を変化させる、請求項１６記載の方法。
18. 前記加熱面（１２，３２）を照射する前に、前記引張り方向（Ｒ２）において前記加熱面（３２）の上流側に配置された前記テープ（３０）を、加熱装置（７０）を用いて、予め設定された温度に加熱する、請求項１６または１７記載の方法。
19. 前記テープ（３０）の、該テープ（３０）の前記加熱面（３２）とは反対側に位置する背側を、第２のレーザダイオードアレー（１２０）を用いて加熱する、請求項１６から１８までのいずれか１項記載の方法。
20. 不均一の強度分布を、前記成形体（１０）の前記加熱面（１２）において生ぜしめ、このとき、前記成形体（１０）の前記加熱面（１２）における放射強度が前記相対運動方向（Ｒ１）とは逆向きに少なくとも部分的に低減するような放射領域を、前記レーザダイオードアレー（１１０）から放射する、請求項１６から１９までのいずれか１項記載の方法。

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