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Title:
PRESSURE-TIGHT LIGHTWEIGHT STRUCTURE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/211248
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a pressure-tight lightweight structure, wherein: the pressure-tight lightweight structure has a core (10) made of a first material; the pressure-tight lightweight structure has a first cover material (20) arranged on the core (10); the pressure-tight lightweight structure has a second cover material (22) arranged on the core (10); the second cover material (22) is arranged opposite the first cover material (20); the first material is designed to absorb compressive forces acting on the first cover material (20); and the first cover material (20) is designed to absorb tensile forces.

Inventors:
SCHLÄGEL, Matthias (Aarestutz 7, 3037 Herrenschwanden, 3037, CH)
Application Number:
EP2019/060967
Publication Date:
November 07, 2019
Filing Date:
April 29, 2019
Export Citation:
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Assignee:
thyssenkrupp Marine Systems GmbH (Werftstr. 112-114, Kiel, 24143, DE)
THYSSENKRUPP AG (ThyssenKrupp Allee 1, Essen, 45143, DE)
International Classes:
F16L59/04; B32B5/16; B32B5/26; B32B5/30
Domestic Patent References:
WO2016138607A12016-09-09
Foreign References:
DE102011011387A12012-08-23
GB2266858A1993-11-17
CH584378A51977-01-31
US20100282632A12010-11-11
US20130098203A12013-04-25
EP0459437A11991-12-04
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
THYSSENKRUPP INTELLECTUAL PROPERTY GMBH (ThyssenKrupp Allee 1, Essen, 45143, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Druckfeste Leichtbaustruktur, wobei die druckfeste Leichtbaustruktur einen Kern (10) aus einem ersten Material aufweist, wobei die druckfeste Leichtbaustruktur ein auf dem Kern (10) angeordnetes erstes Deckmaterial (20) aufweist, wobei die druckfeste Leichtbaustruktur ein auf dem Kern (10) angeordnetes zweites Deckmaterial (22) aufweist, wobei das zweite Deckmaterial (22) dem ersten Deckmaterial (20) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei das erste Material Partikel aufweist, wobei die Partikel eine Verbindung zwischen dem ersten Deckmaterial (20) und dem zweiten Deckmaterial (22) bilden, wobei die Verbindung zur Übertragung einer senkrecht zur Oberfläche stehenden Kraft von dem ersten Deckmaterial (20) auf das zweite Deckmaterial (22) ausgebildet ist, wobei das erste Deckmaterial (20) ein faserverstärkter Kunststoff ist.

2. Druckfeste Leichtbaustruktur nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des ersten Materials eine dichteste Schüttung oder dichteste Packung aufweisen.

3. Druckfeste Leichtbaustruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des ersten Materials miteinander verbunden sind.

4. Druckfeste Leichtbaustruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel wenigstens partiell in einer Matrix eingebetttet sind, wobei die Matrix aus einem Metall oder einem Kunststoff, bevorzugt aus einem Metall, besteht.

5. Druckfeste Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Partikel eine Partikelgröße von wenigstens 2 nm, bevorzugt von wenigstens 100 nm, weiter bevorzugt von wenigstens 1 miti, weiter bevorzugt von wenigstens 10 miti, besonders bevorzugt von wenigstens 20 miti aufweisen.

6. Druckfeste Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Partikel eine Partikelgröße von höchstens 1 mm, bevorzugt von höchstens 500 miti, weiter bevorzugt von höchstens 100 miti, besonders bevorzugt von höchstens 40 miti aufweisen.

7. Druckfeste Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Partikel Hohlkörper sind.

8. Druckfeste Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Partikel Vollkörper sind.

9. Druckfeste Leichtbaustruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Deckmaterial (20) und das zweite Deckmaterial (22) aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff oder einem kohlefaserverstärkten Kunststoff, besteht.

10. Druckfeste Leichtbaustruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die druckfeste Leichtbaustruktur eine Dichte von weniger als 1 g/cm3 aufweist.

11. Druckfeste Leichtbaustruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kern (10) und dem ersten Deckmaterial (20) eine erste Verbindungsschicht (30) und/oder zwischen dem Kern (10) und dem zweiten Deckmaterial (22) eine zweite Verbindungschicht angeordnet ist.

12. Druckfeste Leichtbaustruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Kerns (10) wenigstens fünfmal größer, bevorzugt wenigstens zehnmal größer als die Dicke des ersten Deckmaterial (20) ist.

13. Verwendung einer druckfesten Leichtbaustruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Unterwasserfahrzeug.

14. Unterwasserfahrzeug mit einer druckfesten Leichtbaustruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche.

15. Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug einen Druckkörper aus einer druckfesten Leichtbaustruktur aufweist. 16. Verwendung einer druckfesten Leichtbaustruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer Trägerstruktur.

17. Trägerstruktur mit einer druckfesten Leichtbaustruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

18. Trägerstruktur nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur ein Rohr ist.

Description:
Druckfeste Leichtbaustruktur

Die Erfindung betrifft eine druckfeste Leichtbaustruktur, wie diese insbesondere unter Wasserbereich eingesetzt werden kann.

Herkömmlicherweise wird beispielsweise ein Druckkörper aus einem homogenen Material, insbesondere Stahl oder in Ausnahmefällen Titan, gefertigt. Ebenso sind Bauteile aber auch Druckkörper aus faserverstärkten Kunststoffen bekannt.

Nachteil dieser Ausführungsform ist, dass gerade bei größeren Tauchtiefen die Wanddicke deutlich zunimmt und somit das Eigengewicht. Somit geht ein großer Teil des Auftriebs bereits für das Gewicht des Druckkörpers verloren.

Ein weiterer Nachteil ist, dass bei Verformung des Druckkörpers bei großer Tauchtiefe sich das Innenvolumen verringert und somit der Auftrieb verringert wird. Passiert dieses, so sinkt beispielsweise ein Wasserfahrzeug mit einem solchen Druckkörper mit zunehmender Geschwindigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine druckfeste Leichtbaustruktur bereitzustellen, welche den Druckverhältnissen Unterwasser ebenso standhält, jedoch leichter gebaut ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine druckfeste Leichtbaustruktur mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, ein Unterwasserfahrzeug mit den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen sowie durch eine Trägerstruktur mit den in Anspruch 17 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Die erfindungsgemäße druckfeste Leichtbaustruktur weist einen Kern aus einem ersten Material auf. Die druckfeste Leichtbaustruktur weist ein auf dem Kern angeordnetes erstes Deckmaterial und ein auf dem Kern angeordnetes zweites Deckmaterial auf. Das zweite Deckmaterial ist dem ersten Deckmaterial gegenüberliegend angeordnet. Das erste Material weist Partikel auf, wobei die Partikel eine Verbindung zwischen dem ersten Deckmaterial und dem zweiten Deckmaterial bilden, wobei die Verbindung zur Übertragung einer senkrecht zur Oberfläche stehenden Kraft von dem ersten Deckmaterial auf das zweite Deckmaterial ausgebildet ist. Das erste Deckmaterial ist ein faserverstärker Kunststoff.

Im Sinne der Erfindung wird eine Verbindung, welche zur Übertragung einer senkrecht zur Oberfläche stehenden Kraft von dem ersten Deckmaterial auf das zweite Deckmaterial ausgebildet ist, als kraftschlüssige Verbindung verstanden.

Die erfindungsgemäße druckfeste Leichtbaustruktur hat den großen Vorteil, dass der Kern insbesondere die Drucknormalspannung zum größten Teil aufnimmt. Hierzu sind die Partikel miteinander kraftschlüssig in Kontakt, sodass eine Drucknormalspannung durch die Partikel vom ersten Deckmaterial zum zweiten Deckmaterial geleitet und somit aufgenommen wird. Auftretende Biegespannung, insbesondere Zugspannungen, beziehungsweise Zugkräfte werden durch das erste Deckmaterial aufgenommen, da diese regelmäßig an der Oberfläche der Struktur auftreten. Das faserverstärkte Material ist insbesondere zur Aufnahme dieser Zugkräfte besonders geeignet. Durch diese Aufteilung kommt es quasi zu einer Arbeitsteilung zwischen den Bereichen, wodurch die Bereiche hinsichtlich ihrer Aufgabe einzeln optimiert und insgesamt dadurch leichter ausgeführt werden können.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Partikel des ersten Materials miteinander verbunden. Besonders bevorzugt sind die Partikel kovalent miteinander verbunden. Beispielsweise sind die Partikel aus Glas, welche beispielsweise über Siloxanbrücken miteinander verbunden sind. Beispielsweise sind die Partikel über eine Matrix miteinander verbunden, wobei die Matrix beispielsweise kovalent mit der Oberfläche der Partikel verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Matrix mittels van-der-Waals-Kräfte, mittels Wasserstoffbrückenbindungen oder Verschlaufungen miteinander verbunden sein. Beispielsweise kann das erste Material ein syntaktischer Schaum sein. Unter einem syntaktischen Schaum wird ein Material verstanden welches eine Matrix und anorganische Partikel, welche in die Matrix eingebettet sind, aufweist. Sind die Partikel beispielsweise aus Glas, so kann eine kovalente Verbindung beispielsweise mit Tetraethylorthosilicat (TEOS), Dimethyldiethoxysilan, Methyltrimethoxysilan, anderen Silanen sowie Mischungen hieraus hergestellt werden. Isnbesodnere die Verwendung von Dimethyldiethoxysilan oder anderen Silanen mit zwei Alkylresten sorgt für ein gewisses Maß an Flexibilität bei der kovalenten Verbindung der Partikel.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Partikel wenigstens partiell in einer Matrix, insbesondere aus einem Metall oder einem Kunststoff, eingebettet. Eine partielle Einbettung kann insbesondere dadurch zustande kommen, dass bei der Herstellung zunächst eine Schüttung der Partikel hergestellt wird, welche anschließend gegebenenfalls aufgrund der dichten Packung vom Matrixmaterial oder einem das Matrixmaterial bildendem Material, beispielsweise Monomeren, nicht mehr vollständig umgeben werden kann. In solchen Fällen ergeben sich Leerräume innerhalb der Matrix zwischen den Partikeln. Besonders bevorzugt wird daher die Schüttung im Vakuum hergestellt oder nach der Schüttung der Partikel evakuiert, um Lufteinschlüsse in diesen Bereichen zu vermeiden. Eine Herstellung der Schüttung im Vakuum ist bevorzugt, da dann keine Strömungswiderstände eine Evakuierung zwischen den Partikeln verhindern können. Hierbei ist Vakuum so zu verstehen, dass ein verringerter Druck vorliegt, beispielsweise auch nur ein partielles Vakuum von zum Beispiel 20 kPa. Besonders bevorzugt besteht die Matrix aus einem Metall. Als Metall kommen insbesondere Aluminium, Zink, Eisen und Titan sowie Legierungen, welche diese Metalle enthalten, infrage. Besonders bevorzugt sind Eisenlegierungen, insbesondere Stähle. Als Kunststoff kommen beispielsweise Harze, beispielsweise Epoxidharze oder Polyesterharze, infrage. Bevorzugt sind auch Kunststoffe, welche monomer einbringbar sind und dann zwischen den Partikeln auspolymerisieren. Bevorzugt erfolgt dieses, wenn die Partikel aus Glas und somit Lichtdurchlässig sind mittels radikalischer Polymerisation, beispielsweise von Methacrylsäuremethylester (MMA).

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die anorganische Partikel eine Partikelgröße von wenigstens 2 nm, bevorzugt von wenigstens 100 nm, weiter bevorzugt von wenigstens 1 miti, weiter bevorzugt von wenigstens 10 miti, besonders bevorzugt von wenigstens 20 miti auf. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die anorganische Partikel eine Partikelgröße von höchstens 1 mm, bevorzugt von höchstens 500 miti, weiter bevorzugt von höchstens 100 miti, besonders bevorzugt von höchstens 40 miti auf.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die anorganische Partikel Hohlkörper. Durch die Verwendung von Hohlkörpern, besonders bevorzugt von Hohlkugeln, lässt sich die Dichte des Kerns und damit der druckfesten Leichtbaustruktur verringern.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die anorganischen Partikel Vollkörper. Durch die Verwendung von Vollkörper lässt sich die Druckfestigkeit des Kerns maximieren. Dieses kann insbesondere für Druckkörper für extreme Tauchtiefen vorteilhaft sein.

In einer weiteren Ausführungsform bestehen die anorganischen Partikel aus Metall, Glas oder Keramik. Beispielhafte keramische Materialien sind Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Zirconiumoxid, Titanoxid, Aluminiumtitanat, Bariumtitanat, Siliziumcarbid, Bornitrid, Borcarbid, Siliziumsnitrid, Aluminiumsnitrid, Molybdänsilicid, Wolframcarbid und dergleichen. Beispiele für Glas sind Silicatglas, insbesondere Quarzglas, Borsilicatglas, Alkalisilicatglas, Bleisilicatglas, Alumosilicatglas, Alkaliboratglas, Halogenidglas, Phosphatglas. Besonders bevorzugt sind Silicatgläser.

In einer weiteren Ausführungsform bestehen die Matrix und die anorganischen Partikel, welche in Form von Hohlkörpern ausgeführt sind, aus dem gleichen Material, beispielsweise aus Aluminium. Hierbei können zur Herstellung des Kerns zunächst Hohlkörper beispielsweise aus Aluminium hergestellt werden und anschließend in die Matrix eingebettet werden. Alternativ kann der Kern in einem Verfahrensschritte hergestellt werden, indem die Hohlkörper während der Herstellung des Kerns zum Beispiel durch Zugabe von gasbildenden Substanzen beispielsweise in einem Spritzgussverfahren instantan hergestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das erste Deckmaterial und das zweite Deckmaterial aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff oder einem kohlefaserverstärkten Kunststoff.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die druckfeste Leichtbaustruktur eine Dichte von weniger als 1 g/cm 3 auf.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Kern und dem ersten Deckmaterial eine erste Verbindungsschicht und/oder zwischen dem Kern und dem zweiten Deckmaterial eine zweite Verbindungschicht angeordnet ist. Insbesondere handelt es sich bei der ersten Verbindungsschicht und/oder der zweiten Verbindungsschicht um einen Haftvermittler.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Dicke des Kerns wenigstens fünfmal größer, bevorzugt wenigstens zehnmal größer als die Dicke des ersten Deckmaterial.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Kern mittels 3D Drucks erstellt. Dieses ermöglicht insbesondere bei geringer Stückzahl eine optimale Form- und damit Gewichtsoptimierung.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen druckfesten Leichtbaustruktur in einem Unterwasserfahrzeug, insbesondere in einem Druckkörper eines Unterwasserfahrzeugs.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Unterwasserfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen druckfesten Leichtbaustruktur.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Unterwasserfahrzeug einen Druckkörper aus einer erfindungsgemäßen druckfesten Leichtbaustruktur auf. Alternativ und/oder zusätzlich können beispielsweise auch eine Wasser hinterspülte Außenhaut, Halterungen, Beschläge sowie andere Bauteile aus der erfindungsgemäßen druckfesten Leichtbaustruktur bestehen. Vorteil ist, dass jede Massereduktion an diesen Stellen den nutzbaren Auftrieb des Unterwasserfahrzeugs vergrößert.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen druckfesten Leichtbaustruktur in einer Trägerstruktur, insbesondere in einem Rohr.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Trägerstruktur mit einer erfindungsgemäßen druckfesten Leichtbaustruktur.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Trägerstruktur ein Rohr. Bei einem Rohr ist der Kern vollständig von Deckmaterial umgeben, sodass das erste Deckmaterial auf der einen Seite in das zweite Deckmaterial auf der gegenüberliegenden Seite übergeht und mit diesem identisch ist. Ein derartiges Rohr eignet sich insbesondere für die Verwendung von Unterwasserrohrkonstruktionen, beispielsweise für Fördereinrichtungen, beispielsweise zur Gewinnung von Erdöl, Erdgas, Mineralien, Erzen oder anderen Bodenschätzen, Lagereinrichtungen, beispielsweise zur Lagerung von Verbrauchsmaterialien von Unterwasserfahrzeug in oder zur Lagerung von unbemannten Unterwasserfahrzeugen, oder modular zusammengesetzten Unterwasserfahrzeug, welche insbesondere eine tragende Rohrkonstruktion aufweisen. Durch die Verwendung eines Kernmaterials kann die Wandstärke des Rohres verringert werden besonders bevorzugt weist das Kernmaterial eine geringere Dichte als das umgebende Wasser auf.

Nachfolgend ist die erfindungsgemäße druckfeste Leichtbaustruktur anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 Druckfeste Leichtbaustruktur

Fig. 2 Druckfeste Leichtbaustruktur mit Verbindungsschichten

Fig. 3 Druckkörper eines Unterwasserfahrzeus

Fig. 4 Druckfestes Rohr

Fig. 5 Partikel und Matrix des ersten Materials In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße druckfeste Leichtbaustruktur aus einem Kern 10, einem ersten Deckmaterial 20 und einem zweiten Deckmaterial 22 beispielhaft gezeigt.

Beispielsweise besteht der Kern 10 aus Aluminium und Glashohlkugeln. Beispielsweise bestehen das erste Deckmaterial 20 und das zweite Deckmaterial 22 aus einem faserverstärkten Kunststoff, wobei die Fasern in wenigstens zwei Lagen kreuzweise gelegt sind. Besonders bevorzugt sind die Fasern in wenigstens vier Lagen um jeweils 45 ° gegeneinander gedreht gelegt.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche druckfeste Leichtbaustruktur, wobei diese zusätzlich eine erste Verbindungschicht 30 und eine zweite Verbindungschicht 32 aufweist. Die Verbindungschichten dienen der besseren Haftung.

In Fig. 3 ist ein Druckkörper aus einer erfindungsgemäßen druckfesten Leichtbaustruktur gezeigt. Das erste Deckmaterial 20 steht in Kontakt mit dem umgebenden Wasser, darunter ist der Kern 10 angeordnet. Das zweite Deckmaterial 22 ist zum Inneren des Druckkörpers 40 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel können das erste Deckmaterial 20 und das zweite Deckmaterial 22 unterschiedlich sein, da diese unterschiedlichen Anforderungen ausgesetzt sind.

Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Rohr, wobei ein Kern 10 von einem umgebenden Deckmaterial 24 umgeben ist. Betrachtet man den mittleren Ausschnitt, welcher durch zwei gestrichelte Linien angedeutet ist, so ist erkennbar dass auch ein Rohr ein Kern 10 mit einem ersten Deckmaterial 20 und einen zweiten Deckmaterial 22 aufweist, wobei das erste Deckmaterial 20 und das zweite Deckmaterial 22 identisch und ineinander übergehen sind.

Fig. 5 zeigt die innere Struktur des Kerns 10 mit dem ersten Material bestehend aus Partikeln 50 und Matrix 60. Die Partikel 50 können eine dichteste Packung (wie unten rechts angedeutet) annehmen. Wahrscheinlicher ist jedoch, dass die Partikel 50 auch durch unterschiedliche Größe und Form sich zwar benachbart anordnen, es aber dennoch eine leicht unregelmäßige Struktur gibt. Wichtig ist, dass die Partikel 50 zueinander so benachbart sind, dass eine Kraft von dem ersten Deckmaterial 20 über die Partikel 50 auf das zweite Deckmaterial 22 übertragen werden kann. Die Matrix 60 dient hierbei zur Stabilisierung der Partikel und gegebenfalls zur Fixierung des ersten Deckmaterials 20 und des zweiten Deckmaterials 22 relativ zu den Partikeln 50. Bezugszeichen

10 Kern

20 erstes Deckmaterial

22 zweites Deckmaterial

24 umgebendes Deckmaterial

30 erste Verbindungsschicht

32 zweite Verbindungsschicht

40 Innere des Druckkörpers

50 Partikel

60 Matrix