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Title:
METHOD FOR PRODUCING A LIGHT-WEIGHT PRESSURE TANK AND LIGHT-WEIGHT PRESSURE TANK
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/038930
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a light-weight pressure tank with a light-weight pressure container (1; 1'; 1''; 101) from a metal material, comprising at least one polar or equatorial securing element (14; 4, 4'; 5) and a container wall (16; 16'; 16") connected to same, characterised in that at least the container wall (16; 16'; 16") is formed integrally with the at least one polar or equatorial securing element (14; 4, 4'; 5) via additive manufacturing by means of a thermal spraying method by applying the metal material to a mould surface (20; 20'; 20") of a curved formwork mould (2; 2'; 2") forming a moulded body, via the spray jet (32; 32'; 32") and =by means of the at least one spray nozzle (30; 30'; 30").

Inventors:
LARCH SASCHA (DE)
Application Number:
EP2019/072247
Publication Date:
February 27, 2020
Filing Date:
August 20, 2019
Export Citation:
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Assignee:
LARCH SASCHA (DE)
International Classes:
F17C13/00; B22F3/105; B33Y10/00; C23C24/04; F17C1/02
Domestic Patent References:
WO2017114584A12017-07-06
WO2009109016A12009-09-11
Foreign References:
DE102013216439A12014-11-27
EP3333474A12018-06-13
FR3025491A12016-03-11
DE102006044612A12008-03-27
DE102010060362A12012-05-10
DE102015017026A12017-07-06
Attorney, Agent or Firm:
SCHLIMME, Wolfram (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Drucktanks mit einem Leichtbau- Druckbehälter (1 ; 1 '; 1 "; 101 ) aus einem Metallmaterial mit zumindest einem polaren oder äquatorialen Befestigungselement (14; 4, 4'; 5) und einer damit verbundenen Behälterwandung (16; 16'; 16");

dadurch gekennzeichnet,

dass zumindest die Behälterwandung (16; 16'; 16") durch additive Fertigung mittels eines thermischen Spritzverfahrens durch Aufträgen des

Metallmaterials durch den Spritzstrahl (32; 32'; 32") mittels der zumindest einen Spritzdüse (30; 30'; 30") auf eine Formoberfläche (20; 20'; 20") einer einen Formkörper bildenden gewölbten Schalungsform (2; 2'; 2") integral mit dem zumindest einen polaren oder äquatorialen Befestigungselement (14; 4, 4'; 5) ausgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Leichtbau-Druckbehälter (1 ; 1 '; 1 "; 101 ) einen kugelförmigen oder kugelähnlichen Raumkörper (10) aufweist, der durch Aufträgen des

Metallmaterials durch den Spritzstrahl (32; 32'; 32") mittels der zumindest einen Spritzdüse (30; 30'; 30") auf die eine Formoberfläche (20; 20'; 20") bildende konvexe Außenoberfläche oder konkave Innenoberfläche der kugelförmig oder kugelähnlich gewölbten Schalungsform (2; 2'; 2) nahtlos hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

gekennzeichnet durch die Schritte:

a) Bereitstellen des zumindest einen polaren oder äquatorialen

Befestigungselements (4, 4'; 5), das zumindest einen

Befestigungsabschnitt (40; 50) und zumindest einen

Behälterwandungsabschnitt (42; 52) aufweist, wobei der Behälterwandungsabschnitt (42; 52) zumindest einen

Umfangsrandbereich (44; 54, 54') aufweist, dessen Wandstärke sich unter Ausbildung einer im Querschnitt schräg verlaufenden Kontaktfläche (46; 56, 56') zum freien Umfangsrand (45; 55, 55') hin verjüngt;

b) Positionieren des zumindest einen polaren oder äquatorialen

Befestigungselements (4, 4'; 5) an oder auf der konkaven oder konvexen Formoberfläche (20; 20'; 20") der gewölbten Schalungsform (2; 2'; 2) derart, dass die Kontaktfläche (46; 56, 56') von der Formoberfläche (20; 20'; 20") weg weist;

c) Aufträgen des Metallmaterials durch einen Spritzstrahl (32; 32'; 32") mittels zumindest einer Spritzdüse (30; 30'; 30") gemäß dem thermischen Spritzverfahren auf die Kontaktfläche (46; 56, 56') des Befestigungselements (4, 4'; 5) und auf die Formoberfläche (20; 20'; 20") der gewölbten Schalungsform (2; 2'; 2) zur Bildung eines sich nahtlos an die Kontaktfläche (46; 56, 56') anschließenden und mit dem Behälterwandungsabschnitt (42; 52) integral ausgebildeten, gewölbten Behälterwandungselements (17', 17"; 17'");

d) Trennen der Einheit aus dem zumindest einen Befestigungselement (4, 4'; 5) und dem Behälterwandungselement (17', 17"; 17'") von der gewölbten Schalungsform (2; 2'; 2).

4. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Bereitstellung des zumindest einen polaren oder äquatorialen

Befestigungselements (4, 4'; 5) mit den folgenden Schritten erfolgt: a1 ) Bereitstellen einer Befestigungselement-Schalungsform (2; 2'; 2) als Außenschalung oder als Innenschalung;

a2) Aufträgen des Metallmaterials durch einen Spritzstrahl (32; 32'; 32") mittels zumindest einer Spritzdüse (30; 30'; 30") gemäß dem thermischen Spritzverfahren auf eine Formoberfläche (20; 20'; 20") am Innenumfang oder am Außenumfang der Befestigungselement- Schalungsform (2; 2'; 2) zur Bildung zumindest eines

Befestigungsabschnitts (40; 50) und zumindest eines

Behälterwandungsabschnitts (42; 52);

a3) Ausbilden eines sich zum freien Umfangsrand (45; 55, 55') hin

verjüngenden Umfangsrandbereichs (44; 54, 54') des

Behälterwandungsabschnitts (42; 52) mit einer im Querschnitt schräg verlaufenden Kontaktfläche (46; 56, 56');

a4) Trennen des Befestigungselements (4, 4'; 5) von der

Befestigungselement-Schalungsform (2; 2'; 2).

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass die im Querschnitt schräg verlaufende Kontaktfläche (46; 56, 56') nach dem Entnehmen des Befestigungselements (4, 4'; 5) aus der

Befestigungselement-Schalungsform (2; 2'; 2) mechanisch bearbeitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass charakteristische Eigenschaften des Spritzstrahls (32; 32'; 32") der zumindest einen Spritzdüse (30; 30'; 30") geändert werden, wenn dieser von der im Querschnitt schräg verlaufenden Kontaktfläche (46; 56, 56') weiter wandert und auf die Formoberfläche (20; 20'; 20") auftrifft, auf der noch kein Material mittels des thermischen Spritzverfahrens aufgetragen worden ist, und dass die charakteristischen Eigenschaften des Spritzstrahls (32; 32'; 32") wieder zurückgeändert werden, wenn dieser von der Formoberfläche (20; 20'; 20"), auf der noch kein Material mittels des thermischen Spritzverfahrens aufgetragen worden war, weiter wandert und auf die im Querschnitt schräg verlaufende Kontaktfläche (46; 56, 56') auftrifft.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass nach der Fertigstellung der Einheit aus dem zumindest einen

Befestigungselement (14; 4, 4'; 5) und dem Behälterwandungselement (17; 17', 17"; 17'") eine thermische und/oder mechanische Behandlung zumindest des Behälterwandungselements (17; 17', 17"; 17'") durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass der fertige Leichtbau-Druckbehälter (1 ; 1'; 1 "; 101 ) zumindest im Bereich seiner Behälterwandung mit einem Mantel (120) aus einem

Faserverbundwerkstoff umgeben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass der den Leichtbau-Druckbehälter (1 ; 1'; 1 "; 101 ) zumindest im Bereich seiner Behälterwandung umgebende Mantel (120) aus Kohlefaser- Verbundwerkstoff besteht oder dieses Material aufweist.

10. Leichtbau-Drucktank (100) hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere mit einer mittels des

thermischen Spritzverfahrens nahtlos hergestellten Behälterwandung (16; 16'; 16").

Description:
Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Drucktanks

und Leichtbau-Drucktank

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau- Drucktanks nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiterhin einen nach einem derartigen Verfahren hergestellten Leichtbau-Drucktank. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Satelliten-, Raumfahrzeug- oder Raketentanks sowie einen mit diesem Verfahren hergestellten Satelliten-, Raumfahrzeug- oder Raketentank. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese

Anwendungsbereiche beschränkt, sondern umfasst selbstverständlich auch stationär oder in Landfahrzeugen, Wasserfahrzeugen oder Luftfahrzeugen verwendbare Leichtbau-Drucktanks, wie sie beispielsweise zur Speicherung von komprimierten Gasen wie zum Beispiel Wasserstoff eingesetzt werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Druckbehälter, die einem hohen Innendruck gegenüber einem niedrigeren

Außendruck standhalten müssen, sind allgemein bekannt. Üblicherweise werden derartige Druckbehälter aus Metallblechen gefertigt, die entweder aus zwei miteinander verschweißten Kugelhälften bestehen oder die einen zylindrischen Behälterabschnitt aufweisen, mit dem domartige Behälterböden verschweißt werden. Diese domartigen Behälterböden werden zumeist aus dreieckigen oder

trapezförmigen Blechen hergestellt, die gebogen und zu einer Raumform miteinander verschweißt werden. Kritisch ist bei solchen, Schweißnähte aufweisenden

Druckbehältern die Qualität der jeweiligen Schweißnaht, da auf jeden Fall zu vermeiden ist, dass der unter Druck gesetzte Druckbehälter an den möglicherweise Schwachstellen bildenden Schweißnähten reißt und platzt. Daher sind diese Schweißnähte mit größter Sorgfalt zu fertigen und der Druckbehälter ist regelmäßigen Drucktests zu unterziehen.

Eine besondere Herausforderung stellen Leichtbau-Druckbehälter dar, wie sie beispielsweise als Treibstofftanks in der Raumfahrttechnik verwendet werden. Bei diesen Tanks ist das Gewicht auf ein Minimum zu reduzieren, so dass es hier üblich geworden ist, den Behälter mit einer sehr dünnen Behälterwand und gegebenenfalls einer mit dieser dünnen Behälterwand verbundenen Stützstruktur auf der

Behälterinnenseite oder der Behälteraußenseite auszugestalten. Dazu wird aus einem dicken Wandmaterial in spanabhebender Fertigung, beispielsweise durch Fräsen, auf der Innenseite des Behälters so viel Material abgetragen, dass eine dünne Wandhaut mit sich daran auf der Innenseite (oder der Außenseite)

anschließenden Versteifungselementen, wie zum Beispiel Längsrippen und Spanten, ausbildet. Es liegt auf der Hand, dass ein derartiges Herstellungsverfahren zeit- und kostenaufwendig ist. Auch die dreieckigen oder trapezförmigen Segmente für die Herstellung des jeweiligen Behälterbodens werden auf diese Weise aus dem Vollen gefräst. Die so erhaltenen ebenen Komponenten werden dann, beispielsweise mittels Kugelstrahlen, umgeformt in räumlich gewölbte Dreiecke beziehungsweise Trapeze, die dann zur Bildung des domartigen Behälterbodens miteinander verschweißt werden. Dort wo Schweißnähte vorgesehen sind, muss bei der spanabhebenden Bearbeitung eine dickere Wandstärke erhalten bleiben, um das Schweißen zu ermöglichen, und die geringe Materialfestigkeit in der Schweißnaht zu kompensieren. Diese lokal dickere Wandstärke erhöht wiederum die Masse und damit das Gewicht des Druckbehälters.

Das Verschweißen der einzelnen Komponenten erfolgt üblicherweise durch Wolfram- Inertgasschweißen oder durch Rührreibschweißen, wozu spezielle Schweißanlagen erforderlich sind, die an die Geometrie und den Durchmesser der zu schweißenden Behälterböden angepasst sein müssen und die zu hohen Kosten als

Sondermaschinenbau hergestellt werden müssen. Bei der herkömmlichen Vorgehensweise zur Herstellung von Leichtbau- Druckbehältern, insbesondere von Raketentanks, ist somit nachteilig, dass die Herstellung der einzelnen Komponenten (einschließlich des zylindrischen

Tankkörpers) durch Fräsen aus dem Vollen sowie das Verschweißen der Teile miteinander sehr zeit- und kostenaufwändig ist. Zudem müssen die einzelnen Körper im Bereich der Schweißnaht eine dickere Wandstärke aufweisen, als dies ohne Schweißnaht erforderlich wäre. Für diesen Fertigungsprozess bedarf es sehr großer Maschinen, die individuell für einen einzelnen Druckbehältertyp angefertigt werden müssen. Daher sind die Kosten zur Herstellung derartiger Druckbehälter (z.B.

Raketentanks) extrem hoch und aufgrund des langen Vorlaufs für die zunächst zu erfolgende Konstruktion und Fertigung der speziellen Schweißanlagen ist ein sehr langer Zeitvorlauf erforderlich, bevor eine auf dem Reißbrett entwickelte

Tankkonstruktion in einen ersten Prototyp umgesetzt werden kann.

STAND DER TECHNIK

Thermische Spritzverfahren, wie beispielsweise das Kaltgasspritzen, werden üblicherweise zur Beschichtung von Oberflächen verwendet. Ein

Kaltgasspritzverfahren zur Beschichtung von Oberflächen, bei welchem das Gas zunächst komprimiert und erwärmt und anschließend durch Entspannen in einer Düse beschleunigt wird, wobei in den Gasstrahl eingeleitete Partikel auf ein vorher aufgeheiztes Substrat geschossen werden, ist aus der DE 10 2006 044 612 A1 bekannt.

Aus der WO 2009/109016 A1 ist es weiterhin bekannt, das Verfahren des

Kaltgasspritzens zur Herstellung von Rohren zu verwenden, wobei die später das Rohr bildenden Materialpartikel auf ein Trägerelement aufgespritzt werden, um das Rohr zu erzeugen. Anschließend wir das Trägerelement aus dem Rohr entfernt.

Aus der DE 10 2010 060 362 A1 ist es bekannt, beim Herstellen eines Rohres mittels eines thermischen Spritzverfahrens die Neigung der Spritzdüse, also den

Spritzwinkel, relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche zu verstellen und dadurch die Haftzugfestigkeit der erzeugten Materialschicht auf deren Untergrund zu verändern. Der Spritzwinkel wird dabei so gewählt, dass eine Haftung entsteht, die ausreicht, damit der Beschichtungswerkstoff an dem Trägerelement haftet, und die gleichzeitig so gering ist, dass das Rohr nach Fertigstellung ohne die Anwendung kostenintensiver Verfahrensschritte leichter vom Trägerelement gelöst werden kann.

Die DE 10 2015 017 026 A1 beschreibt Verfahren zum formwerkzeugfreien

Herstellen von Druckbehältern, bei dem der Druckbehälter ganz oder teilweise mittels eines Sinter- oder Pulverdruckverfahrens aus Metall hergestellt wird. Dabei erfolgt ein schichtweises Aufschmelzen von in einem Metallpulvervorrat enthaltenem Metallpulver durch Elektronenstrahlschmelzen oder durch selektives

Laserschmelzen. Alternativ wird angegeben, den Druckbehälter mittels Multi-Jet- Modeling aus flüssigem Kunststoffmaterial herzustellen, wobei das formend aus der Düse austretende Kunststoffmaterial unmittelbar nach dem Austritt mittels einer Energiequelle gehärtet wird. Es wird explizit darauf hingewiesen, dass bei diesen Verfahren auf eine Formeinrichtung vollständig verzichtet werden kann.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Leichtbau-Drucktank mit einem Leichtbau-Druckbehälter schneller und

kostengünstiger herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbau-Drucktanks mit einem Leichtbau- Druckbehälter aus einem Metallmaterial mit zumindest einem polaren oder

äquatorialen Befestigungselement und einer damit verbundenen Behälterwandung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass zumindest die Behälterwandung durch additive Fertigung mittels eines thermischen Spritzverfahrens durch Aufträgen des Metallmaterials durch den Spritzstrahl mittels der zumindest einen Spritzdüse auf eine Formoberfläche einer einen Formkörper bildenden gewölbten Schalungsform integral mit dem zumindest einen polaren oder äquatorialen Befestigungselement ausgebildet wird. Insbesondere erfolgt die Flerstellung mittels eines

Kaltgasspritzverfahrens als thermisches Spritzverfahren. Das Aufträgen des

Metallmaterials durch den Spritzstrahl mittels der zumindest einen Spritzdüse auf die Formoberfläche der gewölbten Schalungsform kann bei allen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem einzigen Arbeitsgang oder vorzugsweise in mehreren konsekutiven Arbeitsgängen bevorzugt schichtweise erfolgen. Die Dicke der jeweils aufgesprühten Metallmaterialschicht ist dabei abhängig von der

Bewegungsgeschwindigkeit der Spritzvorrichtung.

Die Schalungsform kann dabei eine Außenschalung oder eine Innenschalung sein, die bei einem integral gefertigten kugelförmigen Leichtbau-Druckbehälter eine verlorene Schalung bildet, die nach dem Fertigungsprozess beispielsweise aus dem Leichtbau-Druckbehälter ausgeschmolzen wird. Vorteilhaft ist es, wenn die

Oberfläche der Schalungsform mit einem Trennmittel versehen ist, das das spätere Lösen des Werkstücks von der Schalungsform erleichtert.

VORTEILE

Durch die erfindungsgemäße additive Fertigung zumindest der Behälterwandung kann die bislang in mehrern Fertigungsschritten aus zwei zunächst mit dem zumindest einen Befestigungselement und dann miteinander oder mit einem

Zwischenwandungsstück verschweißten Flalbschalen erfolgende Flerstellung des Druckbehälters wesentlich vereinfacht werden. Wegen der integralen Fertigung können die Schweißnähte entfallen, was wiederum zur Folge hat, dass die Wandung durchgängig dünn sein kann, weil keine für den Schweißvorgang erforderlichen verdickten Wandungsbereiche vorgesehen sein müssen. Die Masse des

erfindungsgemäß hergestellten Leichtbau-Drucktanks ist daher geringer als die eines herkömmlich hergestellten Drucktanks. Zudem entfällt das Risiko von unter

Druckbeanspruchung und thermischer Wechselbeanspruchung reißenden

Schweißnähten. Sowohl die Flerstellungskosten als auch die für die Flerstellung benötigte Zeit sind somit beim Verfahren der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik deutlich verringert.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des

erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9.

Vorzugsweise weist der Leichtbau-Druckbehälter einen kugelförmigen oder kugelähnlichen Raumkörper oder Rumpf auf, der durch Aufträgen des

Metallmaterials durch den Spritzstrahl mittels der zumindest einen Spritzdüse auf die eine Formoberfläche bildende konvexe Außenoberfläche oder konkave

Innenoberfläche der kugelförmig oder kugelähnlich gewölbten Schalungsform nahtlos hergestellt wird. Derartige kugelförmige oder kugelähnliche Tanks sind für die Speicherung von gasförmigen oder verflüssigten Medien unter hohem Druck (zum Beispiel Sauerstoff oder Wasserstoff) besonders geeignet.

Der Begriff "kugelähnlich" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Gestalt des Leichtbau-Druckbehälters einer Kugel ähnelt, aber mathematisch keine kugelige Raumform mit überall gleichem Radius aufweisen muss. So sind davon

beispielsweise Ausführungsformen umfasst, bei denen die Raumform an den Polen abgeplattet ist oder hier eine weniger starke Krümmung aufweist oder bei denen im Äquatorialbereich ein im Verhältnis zum Krümmungsradius der kugeligen

Wandabschnitte kurzer zylindrischer Abschnitt (beispielsweise mit einer

Axialerstreckung von weniger als der Hälfte des Radius') vorgesehen ist oder bei denen im Äquatorialbereich die Krümmung entlang der die Pole aufweisenden Ebenen geringer ist als bei den kugeligen Wandabschnitten.

Besonders vorteilhaft ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die die folgenden Schritte aufweist:

a) Bereitstellen des zumindest einen polaren oder äquatorialen

Befestigungselements, das zumindest einen Befestigungsabschnitt und zumindest einen Behälterwandungsabschnitt aufweist, wobei der

Behälterwandungsabschnitt zumindest einen Umfangsrandbereich aufweist, dessen Wandstärke sich unter Ausbildung einer im Querschnitt schräg verlaufenden Kontaktfläche zum freien Umfangsrand hin verjüngt;

b) Positionieren des zumindest einen polaren oder äquatorialen

Befestigungselements an oder auf der konkaven oder konvexen

Formoberfläche der gewölbten Schalungsform derart, dass die Kontaktfläche von der Formoberfläche weg weist;

c) Aufträgen des Metallmaterials durch einen Spritzstrahl mittels zumindest einer Spritzdüse gemäß dem thermischen Spritzverfahren auf die Kontaktfläche des Befestigungselements und auf die Formoberfläche der gewölbten

Schalungsform zur Bildung eines sich nahtlos an die Kontaktfläche

anschließenden und mit dem Behälterwandungsabschnitt integral

ausgebildeten, gewölbten Behälterwandungselements;

d) Trennen der Einheit aus dem zumindest einen Befestigungselement und dem Behälterwandungselement von der gewölbten Schalungsform.

Dabei kann der Leichtbau-Druckbehälter, bestehend aus dem zumindest einen Befestigungselement und dem Behälterwandungselement integral, also einstückig, mittels des thermischen Spritzverfahrens nahtlos hergestellt werden. Es ist aber alternativ auch möglich und von der Erfindung mit umfasst, zunächst das

Befestigungselement oder das Behälterwandungselement mittels des thermischen Spritzverfahrens herzustellen und dann daran jeweils das andere Element

(Behälterwandungselement beziehungsweise Befestigungselement) mittels des thermischen Spritzverfahrens anzuformen. Auch kann das Befestigungselement vorab auf herkömmliche Weise (zum Beispiel umformend oder spanabhebend, durch Schmieden, Drehen oder Fräsen) gefertigt werden und dann kann das

Behälterwandungselement mittels des thermischen Spritzverfahrens daran angeformt werden.

Vorteilhaft ist dabei, wenn die Bereitstellung des zumindest einen polaren oder äquatorialen Befestigungselements mit den folgenden Schritten erfolgt:

a1 ) Bereitstellen einer Befestigungselement-Schalungsform als Außenschalung oder als Innenschalung; a2) Aufträgen des Metallmaterials durch einen Spritzstrahl mittels zumindest einer Spritzdüse gemäß dem thermischen Spritzverfahren auf eine Formoberfläche am Innenumfang oder am Außenumfang der Befestigungselement- Schalungsform zur Bildung zumindest eines Befestigungsabschnitts und zumindest eines Behälterwandungsabschnitts;

a3) Ausbilden eines sich zum freien Umfangsrand hin verjüngenden

Umfangsrandbereichs des Behälterwandungsabschnitts mit einer im

Querschnitt schräg verlaufenden Kontaktfläche;

a4) Trennen des Befestigungselements von der Befestigungselement- Schalungsform.

Gemäß dieser Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt auch die Herstellung des zumindest einen polaren oder äquatorialen Befestigungselements mittels des thermischen Spritzverfahrens in oder auf einer Schalungsform, so dass hier die gleichen Vorteile auftreten, die bereits oben angeführt wurden.

Vorzugsweise wird die im Querschnitt schräg verlaufende Kontaktfläche nach dem Entnehmen des Befestigungselements aus der Befestigungselement-Schalungsform mechanisch bearbeitet, beispielsweise spanabhebend, um eine ebene und gegebenenfalls auch glatte Oberfläche der Kontaktfläche zu schaffen.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit anderen Ausführungsformen kombinierbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass

charakteristische Eigenschaften des Spritzstrahls der zumindest einen Spritzdüse geändert werden, wenn dieser von der im Querschnitt schräg verlaufenden

Kontaktfläche weiter wandert und auf die Formoberfläche auftrifft, auf der noch kein Material mittels des thermischen Spritzverfahrens aufgetragen worden ist, und dass die charakteristischen Eigenschaften des Spritzstrahls wieder zurückgeändert werden, wenn dieser von der Formoberfläche, auf der noch kein Material mittels des thermischen Spritzverfahrens aufgetragen worden war, weiter wandert und auf die im Querschnitt schräg verlaufende Kontaktfläche auftrifft. Durch diese Änderung von charakteristischen Eigenschaften des Spritzstrahls, beispielsweise der Auftreffgeschwindigkeit der Metallmaterial-Partikel und/oder des Auftreffwinkels auf den Untergrund, wird erreicht, dass im Bereich des jeweiligen schräg verlaufenden Wandabschnitts, also der Kontaktfläche, eine feste und innige Materialanbindung an den hier vom Material der Kontaktfläche gebildeten Untergrund erfolgt, während dort, wo der Spritzstrahl auf die Formoberfläche auftrifft, von der das Werkstück, also zum Beispiel der Behälterwandungsabschnitt, später wieder gelöst werden muss, keine feste und innige Materialanbindung an den hier vom Material der Formoberfläche oder eines darauf befindlichen Trennmittels gebildeten Untergrund erfolgt, um das fertige Werkstück leichter von der Schalungsform trennen zu können.

Vorteilhaft bei allen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch, wenn nach der Fertigstellung der Einheit aus dem zumindest einen Befestigungselement und dem Behälterwandungselement eine thermische und/oder mechanische

Behandlung zumindest des Behälterwandungselements durchgeführt wird. Durch eine solche thermische Behandlung können in dem mittels der erfindungsgemäßen additiven Fertigung erzeugten Werkstück Gefügeänderungen des Metallmaterials vorgenommen werden, die beispielsweise die Zähigkeit des Materials verändern und das Werkstück elastischer machen.

Besonders bevorzugt ist auch eine Variante des jeweiligen erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der der fertige Leichtbau-Druckbehälter zumindest im Bereich seiner Behälterwandung mit einem Mantel aus einem Faserverbundwerkstoff umgeben wird. Hierdurch kann der metallene Leichtbau-Druckbehälter die Aufgabe des dichten Umschließens des in ihm gespeicherten Mediums übernehmen, während der Mantel aus Faserverbundwerkstoff die mechanischen Eigenschaften verbessert und dem Leichtbau-Drucktank die erforderliche Stabilität zur Abstützung der von Innen auf die metallene Wandungshaut wirkenden Druckkräfte verleiht.

Dabei ist es aus Gründen der Gewichsteinsparung besonders von Vorteil, wenn der den Leichtbau-Druckbehälter zumindest im Bereich seiner Behälterwandung umgebende Mantel aus Kohlefaser-Verbundwerkstoff besteht oder dieses Material aufweist. io

Schließlich ist die Erfindung auch gerichtet auf einen Leichtbau-Drucktank, der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere mit einer mittels des thermischen Spritzverfahrens nahtlos gefertigten Behälterwandung, hergestellt wurde.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen

Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt:

Fig. 1 einen teilweise geschnittenen kugelartigen Leichtbau-Druckbehälter eines Leichtbau-Drucktanks gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen teilweise geschnittenen kugelartigen Leichtbau-Druckbehälter eines Leichtbau-Drucktanks gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung gemäß der Einzelheit III aus Fig.

2,

Fig. 4 einen teilweise geschnittenen kugelartigen Leichtbau-Druckbehälter eines Leichtbau-Drucktanks gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung gemäß der Einzelheit V aus Fig.

4 und Fig. 6 eine Ansicht eines Leichtbau-Drucktanks mit einem teilweise geschnitten dargestellten Mantel aus einem Faserverbundwerkstoff.

DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Fig. 1 zeigt einen teilweise aufgeschnittenen kugelartigen Leichtbau-Druckbehälter 1 in Form eines kugelförmigen Raumkörpers 10, der mit einem Stutzen 12 versehen ist, welcher ein polares Befestigungselement 14 bildet. Der Leichtbau-Druckbehälter 1 wird durch additive Fertigung mittels eines thermischen Spritzverfahrens, im gezeigten Beispiel mittels Kaltgasspritzens, integral mit einer einheitlichen

kugelförmigen Wandung 16 des Raumkörpers 10 ausgebildet.

In Fig. 1 ist auch gezeigt, wie eine thermische Spritzvorrichtung 3 vor der

Formoberfläche einer Schalungsform 2 positioniert ist und arbeitet. Diese

Spritzvorrichtung 3 kann beispielsweise an einem Roboterarm angebracht sein. Aus einer Spritzdüse 30 der thermischen Spritzvorrichtung 3 tritt ein Spritzstrahl 32 aus, der auf die Formoberfläche 20 der Schalungsform 2 gerichtet ist. Der Spritzstrahl 32 besteht aus einem Hochgeschwindigkeits-Gasstrahl, dem in der Spritzvorrichtung 3 Partikel eines Metallmaterials zugeführt werden. Der Gasstrahl mit den darin enthaltenen Metallpartikeln wird in bekannter Weise mittels einer Laval-Düse auf vorzugsweise Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, so dass die Metallpartikel mit einer sehr hohen kinetischen Energie auf die Formoberfläche 20 beziehungsweise auf die dort vorgesehene Trennmittelschicht auftreffen. Durch Bewegung der die Spritzdüse 30 aufweisenden Spritzvorrichtung 3 parallel zur Formoberfläche 20 der Schalungsform 2 entlang von Längen- und Breitengraden und gegebenenfalls auch in Umfangsrichtung wird, bevorzugt schichtweise, ein im Wesentlichen homogener Materialauftrag des Metallmaterials auf die Formoberfläche 20 der Schalungsform 2 erhalten.

Dabei wird auf die eine Formoberfläche 20 bildende konvex gewölbte Oberfläche einer kugelförmigen oder kugelähnlichen Schalungsform 2 das Metallmaterial mit der Spritzvorrichtung 3 durch den Spritzstrahl 32 mittels der zumindest einen Spritzdüse 30, vorzugsweise schichtweise, aufgetragen. Die Schalungsform 2 bestimmt das Innenvolumen dieses Leichtbau-Druckbehälters 1. Ein polar an die kugelförmige oder kugelähnliche Schalungsform 2 angesetzter zylindrischer Formkern 22 bestimmt eine Öffnung 11 des Leichtbau-Druckbehälters 1 , die von dem zylindrischen polaren Stutzen 12 umgeben ist, der durch die additive Fertigung integral mit der ein

Behälterwandungselement 17 bildenden kugelförmigen Wandung 16 des

Raumkörpers 10 ausgebildet wird.

Es können auch mehrere derartige Öffnungen und/oder Stutzen vorgesehen sein, die ebenfalls der Befestigung des Leichtbau-Druckbehälters 1 dienen können. Die kugelförmige oder kugelähnliche Schalungsform 2 wird nach der Herstellung des kugelförmigen Raumkörpers 10 zertrümmert und/oder geschmolzen und deren Reste werden nach Entfernen des Formkerns 22 durch die Öffnung 11 abgeführt. Dieser Leichtbau-Druckbehälter 1 mit dem kugelförmigen Raumkörper 10 kann

beispielsweise ein Satellitentank sein.

Nach der Fertigstellung des Leichtbau-Druckbehälters 1 kann dieser thermisch und/oder mechanisch behandelt werden, um die Eigenschaften des additiv

aufgebrachten Metallmaterials zu beeinflussen und insbesondere den Stutzen 12 und die Behälterwandung 16 des kugelförmigen Raumkörpers 10 an den späteren Anwendungszweck anzupassen. Beispielsweise kann die äußere Oberflächen 18 des Leichtbau-Druckbehälters 1 durch Kugelstrahlen verdichtet werden.

Eine alternative Ausführungsform eines kugelartigen Leichtbau-Druckbehälters 1 ' für einen erfindungsgemäßen Leichtbau-Drucktank ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser Leichtbau-Druckbehälter V ist mit einem oberen polaren Befestigungselement 4 und einem unteren polaren Befestigungselement 4' ausgestattet, die im Wesentlichen baugleich ausgestaltet sein können. Daher wird nachstehend nur das obere polare Befestigungselement 4 beschrieben.

Die polaren Befestigungselemente 4, 4' sind vorab in einem gesonderten

Fertigungsschritt hergestellt worden. Sie können entweder auf herkömmliche Weise mittels Umformtechnik oder mittels spanabhebender mechanischer Bearbeitung hergestellt worden sein oder sie können ebenfalls mittels eines additiven

Fertigungsverfahrens gefertigt worden sein. Das jeweilige polare

Befestigungselement 4, 4' weist einen Befestigungsabschnitt 40, der im

Wesentlichen dem Stutzen 12 der Ausführungsform aus Fig. 1 entspricht, sowie einen Behälterwandungsabschnitt 42 auf. Der Behälterwandungsabschnitt 42 bildet eine Art Polkappe des kugelförmigen oder kugelähnlichen Leichtbau-Druckbehälters 1 ' und ist daher entsprechend gewölbt ausgebildet. Die konkave Krümmung der radial inneren Fläche 42' des Behälterwandungsabschnitts 42 entspricht dabei der konvexen Krümmung der Formoberfläche 20 der kugelförmigen oder kugelähnlichen Schalungsform 2 im jeweiligen polaren Bereich.

Der Behälterwandungsabschnitt 42 des polaren Befestigungselements 4 weist einen Umfangsrandbereich 44 auf, der in Fig. 2 durch jeweils zwei gestrichelte Linien dargestellt ist. In diesem Umfangsrandbereich 44 verringert sich die Wandstärke des Behälterwandungsabschnitts 42 zum freien Umfangsrand 45 des

Behälterwandungsabschnitts 42 hin, wie in Fig. 3 zu erkennen ist. Dadurch wird auf der von der Formoberfläche 20 der Schalungsform 2 abgewandten Seite des Behälterwandungsabschnitts 42 eine im Querschnitt schräg verlaufende

Kontaktfläche 46 ausgebildet, die den Behälterwandungsabschnitt 42 ringförmig umgibt und ihn begrenzt.

Nach dem Aufsetzen der polaren Befestigungselemente 4, 4' auf die kugelförmige oder kugelähnliche Schalungsform 2' wird mittels des aus der Spritzdüse 30' der Spritzvorrichtung 3' austretenden Spritzstrahls 32' Metallmaterial auf die

Kontaktfläche 46 des Befestigungselements 4, 4' sowie auf die Formoberfläche 20' der gewölbten Schalungsform 2' aufgetragen, wobei die Spritzvorrichtung 3' über die Formoberfläche 20' der gewölbten Schalungsform 2' hinweg wandert. Dadurch wird angrenzend an den Behälterwandungsabschnitt 42 des Befestigungselements 4 die ein Behälterwandungselement 17' bestimmende kugelförmige Behälterwandung 16' des Raumkörpers 10' gebildet, wobei die Dicke der kugelförmigen Behälterwandung 16' des Raumkörpers 10' der Dicke des Behälterwandungsabschnitts 42 (in Radialrichtung gemessen) entspricht. Im Bereich der Kontaktfläche 46 bildet sich dadurch eine monolithische Verbindung des aufgespritzten Metallmaterials mit dem vorzugsweise identischen Metallmaterial des Behälterwandungsabschnitts 42 aus, so dass nach der Fertigstellung keine Grenze zwischen dem

Behälterwandungsabschnitt 42 und der kugelförmigen Wandung 16' mehr feststellbar ist, was durch die gestrichelte Darstellung der Kontaktfläche 46 in Fig. 3 visualisiert ist.

Fig. 4 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäß herstellten Leichtbau-Druckbehälters 1 " für einen Leichtbau-Drucktank, der ein äquatoriales Befestigungselement 5 aufweist. Das äquatoriale Befestigungselement 5 weist einen von einem (umlaufenden oder unterbrochenen) radial nach außen vorstehenden Ringflansch 51 gebildeten Befestigungsabschnitt 50, sowie einen ringförmigen Behälterwandungsabschnitt 52 auf. Der Behälterwandungsabschnitt 52 ist im

Vertikalschnitt leicht gekrümmt ausgebildet, wobei seine vom Ringflansch 51 abgewandte radial innere Oberfläche 53 eine geringfügige konkave Krümmung aufweist, die nur in etwa der konvexen Krümmung der Formoberfläche 20" der Schalungsform 2" entspricht und ein Aufsetzen des äquatorialen

Befestigungselements 5 auf die Schalungsform 2" gestattet. Die Wandstärke des Behälterwandungsabschnitts 52 ist (bis auf die Umfangsrandbereiche)

gleichbleibend, so dass auch die radial äußere Oberfläche des

Behälterwandungsabschnitts 52 entsprechend gekrümmt ist, wie es in der

vergrößerten Darstellung der Fig. 5 zu sehen ist. Die radial innere Oberfläche 53 des Behälterwandungsabschnitt kann aber auch zylindrisch sein, um das Aufsetzen auf die in diesem Bereich dann ebenfalls zylindrisch ausgebildete Schalungsform 2" zu erleichtern.

Das äquatoriale Befestigungselement 5 kann auch horizontal geteilt sein, um das Aufsetzen der zwei Hälften auf die Schalungsform von ober und von unten zu ermöglichen, wobei dann aber zwei Halbschalen des Leichtbau-Druckbehälters V entstehen, die später zusammenzufügen sind. Der umlaufene Behälterwandungsabschnitt 52 weist einen oberen

Umfangsrandbereich 54 und einen unteren Umfangsrandbereich 54' auf, dessen Wandstärke sich unter Ausbildung einer jeweiligen im Querschnitt schräg

verlaufenden Kontaktfläche 56, 56' zum jeweiligen freien Umfangsrand 55, 55' hin verjüngt.

Das äquatoriale Befestigungselement 5 kann entweder auf herkömmliche Weise mittels Umformtechnik oder mittels spanabhebender mechanischer Bearbeitung hergestellt worden sein oder es kann ebenfalls mittels eines additiven

Fertigungsverfahrens gefertigt worden sein.

Nach dem Aufsetzen des äquatorialen Befestigungselements 5 auf die kugelförmige oder kugelähnliche Schalungsform 2" wird mittels des aus der Spritzdüse 30" der Spritzvorrichtung 3" austretenden Spritzstrahls 32" das Metallmaterial auf die jeweilige Kontaktfläche 56, 56' des Befestigungselements 5 sowie auf den sich daran anschließenden Bereich der Formoberfläche 20" der gewölbten Schalungsform 2" aufgetragen, wobei die Spritzvorrichtung 3" über die Formoberfläche 20" der gewölbten Schalungsform 2" wandert. Dadurch wird angrenzend an den jeweiligen Behälterwandungsabschnitt 52 des Befestigungselements 5 ein oberes

Behälterwandungselement 17" beziehungsweise ein unteres

Behälterwandungselement 17'" gebildet, die gemeinsam die kugelförmige Wandung 16" des Raumkörpers 10" bestimmen, wobei die Dicke der kugelförmigen Wandung 16" des Raumkörpers 10" der Dicke des Behälterwandungsabschnitts 52 (in

Radialrichtung gemessen) entspricht. Im Bereich der jeweiligen Kontaktfläche 56, 56' bildet sich dadurch eine monolithische Verbindung des aufgespritzten Metallmaterials mit dem vorzugsweise identischen Metallmaterial des Behälterwandungsabschnitts 52 aus, so dass nach der Fertigstellung keine Grenze zwischen dem

Behälterwandungsabschnitt 52 und der kugelförmigen Wandung 16" mehr

feststellbar ist, was durch die gestrichelte Darstellung der jeweiligen Kontaktfläche 56, 56' in Fig. 5 visualisiert ist. Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Leichtbau-Drucktank 100 mit einem Leichtbau- Druckbehälter 101 mit polaren Befestigungselementen, wie er beispielsweise in Fig.

2 gezeigt ist, wobei die äußere Oberfläche 110 des Leichtbau-Druckbehälters 101 mit einem Mantel 120 aus einem gewickelten Faserverbundmaterial, beispielsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) umwickelt ist, um dem Leichtbau- Drucktank 100 eine größere mechanische Stabilität zu verleihen.

Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.

Bezugszeichenliste

Es bezeichnen:

1 Leichtbau-Druckbehälter

1 ' Leichtbau-Druckbehälter

1 " Leichtbau-Druckbehälter

2 Schalungsform

2" Schalungsform

3 Spritzvorrichtung

4 polares Befestigungselement

4' polares Befestigungselement

5 äquatoriales Befestigungselement

10 kugelförmiger Raumkörper

10' kugelförmiger Raumkörper

11 Öffnung

12 Stutzen

14 polares Befestigungselement

16 kugelförmige Wandung

16' kugelförmige Wandung

17 Behälterwandungselement

17' Behälterwandungselement

17" Behälterwandungselement

17'" Behälterwandungselement

18 äußere Oberfläche

20 Formoberfläche

20" Formoberfläche

22 zylindrischer Formkern

32 Spritzstrahl

40 Befestigungsabschnitt

42 Behälterwandungsabschnitt

42' radial innere Fläche des Behälterwandungsabschnitts 42 44 Umfangsrandbereich

46 Kontaktfläche

51 Ringflansch

52 ringförmiger Behälterwandungsabschnitt

53 radial innere Oberfläche

54 oberer Umfangswandbereich

54' unterer Umfangswandbereich

55 Umfangsrand

55' Umfangsrand

56 Kontaktfläche

56' Kontaktfläche

100 Leichtbau-Drucktank

101 Leichtbau-Druckbehälter

110 äußere Oberfläche

120 Mantel