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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR FORMING CONNECTIONS FROM A REINFORCING FIBER OR REINFORCING FIBERS, AND METHOD FOR PRODUCING A PRESSURE CONTAINER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/239565
Kind Code:
A1
Abstract:
According to the invention, the disclosed technology relates to a method for forming connections (23) from reinforcing fibers (30) between faces (21, 22) of a wall (20) for a pressure container (10), wherein the reinforcing fibers (30) are gripped by tufting needles (300) and are pushed through the faces (21, 22), and loops (35) are formed through which support elements (40) are introduced. According to the invention, the disclosed technology additionally relates to a corresponding method for producing a pressure container (10).

Inventors:
HUPFELD ALEXANDER (DE)
HUBER MARTIN (DE)
HOROSCHENKOFF ALEXANDER (DE)
RUF MICHAEL (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/063434
Publication Date:
December 02, 2021
Filing Date:
May 20, 2021
Export Citation:
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Assignee:
BAYERISCHE MOTOREN WERKE AG (DE)
International Classes:
F17C1/02; B29C70/08; B29C70/20; B29C70/24; B32B38/18; D05C17/02; B29L31/00; B32B38/00
Foreign References:
DE19749950A11999-05-12
JP2000213692A2000-08-02
DE102014012915A12016-03-10
DE102007051422A12009-04-30
DE102018125029A12020-04-16
US20060112865A12006-06-01
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zum Ausbilden von Verbindungen (23) aus einer Verstärkungsfaser (30) oder Verstärkungsfasern (30) zwischen Wänden (21 , 22) einer Wandung (20) für einen Druckbehälter (10), umfassend folgende Verfahrensschritte, welche jeweils für die Ausbildung einer Verbindung (23) oder einer Reihe (R) von Verbindungen (23) zwischen einer ersten Wand (21) und einer zweiten Wand (22) der Wandung (20) wiederholt werden:

- Greifen jeder Verstärkungsfaser (30) mit einer Tuftnadel (300) an einem Greifpunkt der Verstärkungsfaser (30), von welchem aus ein erster Abschnitt (31 ) und ein zweiter Abschnitt (32) der Verstärkungsfaser (30) abstehen,

- Durchstoßen der ersten Wand (21) mit der Tuftnadel (300), dann Durchstoßen der zweiten Wand (22) mit der Tuftnadel (300), so dass der Greifpunkt die erste Wand (21 ) und die zweite Wand (22) durchstößt und der erste Abschnitt (31 ) und der zweite Abschnitt (32) durch die zweite Wand (22) und die erste Wand (21) durchgehen,

- Ausbilden einer Schlaufe (35) zwischen Greifpunkt und zweiter Wand (22), und

- Einbringen eines Stützelements (40) in die Schlaufe (35).

2. Verfahren nach Anspruch 1 ,

- wobei mehrere Tuftnadeln (300) simultan bewegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

- wobei während des Durchstoßens der Wände (21 , 22) mit der Tuftnadel (300) die Verstärkungsfaser (30) von einer Bevorratungseinrichtung nachgeliefert oder abgewickelt wird. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- wobei die Schlaufe (35) durch ein Zurückziehen der Tuftnadel (300) ausgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4,

- wobei die Tuftnadel (300) beim Zurückziehen zum Ausbilden der Schlaufe (35) nur soweit zurückgezogen wird, dass sie die zweite Wand (22) noch durchstößt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- wobei nur ein Stützelement (40) in alle Schlaufen (35) einer Reihe (R) eingebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- wobei das Stützelement (40) eine gebogene Um lenkungsfläche (41) zum Um lenken der Verstärkungsfaser oder der Verstärkungsfasern (30) und/oder einen spitz zulaufenden Abschnitt (42) zum Zuführen der Abschnitte (31 , 32) zur zweiten Wand (22) aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- wobei die Verstärkungsfaser (30) nach dem Einbringen des Stützelements (40) durch Ziehen an dem zweiten Abschnitt (32) gespannt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- wobei der zweite Abschnitt (32) bei der Ausbildung der nächsten Verbindung (23) den ersten Abschnitt (31) darstellt oder in diesen übergeht. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- wobei zwischen zwei Verbindungen (23) einer Verstärkungsfaser (30) ein weiteres Stützelement (45) eingebracht wird, das an der ersten Wand (21) außenseitig anliegt und die Verstärkungsfaser (30) oder die Verstärkungsfasern (30) um lenkt.

11. Verfahren nach Anspruch 10,

- wobei das weitere Stützelement (45) eine ebene Anlagefläche (47) zur Anlage an der ersten Wand (21) und/oder eine weitere gebogene

Um lenkungsfläche (46) zum Um lenken der Verstärkungsfasern (30) aufweist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- wobei während des Verfahrens ein Kern (100) in der Wandung (20) ist, der anschließend entfernt wird, oder

- wobei während des Verfahrens ein Kern (200) in der Wandung (20) ist, der im fertigen Druckbehälter (10) in der Wandung (20) verbleibt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- wobei die Verbindungen (23) Abstände von höchstens 5 mm zueinander aufweisen.

14. Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters (10), umfassend

- Bereitstellen einer Wandung (20),

- Ausbildungen von Verbindungen (23) zwischen Wänden (21 , 22) der Wandung (20) mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und

- Anbringen eines Matrixmaterials, welches die Wandung (20) umgibt. 15. Verfahren nach Anspruch 14,

- wobei Endbereiche der Verstärkungsfaser (30) oder der

Verstärkungsfasern (30) in dem Matrixmaterial befestigt werden.

Description:
Verfahren zum Ausbilden von Verbindungen aus einer Verstärkungsfaser oder Verstärkungsfasern und Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Ausbilden von Verbindungen aus einer Verstärkungsfaser oder Verstärkungsfasern zwischen Wänden einer Wandung für einen Druckbehälter. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters.

Druckbehälter werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendet, um gasförmigen Brennstoff zu speichern. Dieser kann verwendet werden, um einen Energiewandler wie eine Brennstoffzelle oder einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor anzutreiben.

Im Zuge der weiteren Verbreitung gasbetriebener Fahrzeuge wird es zunehmend wichtiger, Bauräume in Kraftfahrzeugen auszunutzen um darin Druckbehälter unterzubringen. Dabei besteht jedoch das Problem, dass Druckbehälter dem darin befindlichen Druck auch tatsächlich standhalten können müssen, was nicht nur von der Wandstärke, sondern auch von der Form abhängt. Ein runder Querschnitt ist dabei typischerweise ideal bezüglich der Druckfestigkeit, ermöglicht jedoch häufig nicht die effiziente Verwendung vorhandener Bauräume.

Es ist grundsätzlich bekannt, Verbindungen aus Verstärkungsfasern in Druckbehälter einzubringen um auch bei von einem runden Querschnitt abweichenden Formen eine ausreichende Druckfestigkeit zu erreichen. Derartige Verstärkungsfasern können die Kräfte auf Wandungen aufnehmen und Wände gegeneinander stabilisieren. Sie sind jedoch häufig schwer einzubringen. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem die Ausbildung von Verbindungen aus Verstärkungsfasern vereinfacht werden kann. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Ausbilden von Verbindungen aus einer Verstärkungsfaser oder Verstärkungsfasern zwischen Wänden einer Wandung für einen Druckbehälter, umfassend folgende Verfahrensschritte, welche jeweils für die Ausbildung einer Verbindung oder einer Reihe von Verbindungen zwischen einer ersten Wand und einer zweiten Wand der Wandung wiederholt werden:

Greifen jeder Verstärkungsfaser mit einer Tuftnadel an einem Greifpunkt der Verstärkungsfaser, von welchem aus ein erster Abschnitt und ein zweiter Abschnitt der Verstärkungsfaser abstehen, Durchstoßen der ersten Wand mit der Tuftnadel, dann Durchstoßen der zweiten Wand mit der Tuftnadel, so dass der Greifpunkt die erste Wand und die zweite Wand durchstößt und der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt durch die zweite Wand und die erste Wand durchgehen,

Ausbilden einer Schlaufe zwischen Greifpunkt und zweiter Wand, und Einbringen eines Stützelements in die Schlaufe.

Mittels eines solchen Verfahrens können Verstärkungsfasern in sehr einfacher und zuverlässiger Weise dazu verwendet werden, Verbindungen in einem Druckbehälter auszubilden. Eine Tuftnadel greift dabei die jeweilige Verstärkungsfaser an dem Greifpunkt, von wo aus der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der Verstärkungsfaser abstehen. Dies kann auch so interpretiert werden, dass der Greifpunkt die Verstärkungsfaser in die Abschnitte unterteilt, wobei ausgehend von dem Greifpunkt die beiden Abschnitte abstehen. Wenn die Tuftnadel die erste Wand durchstößt wird typischerweise die Verstärkungsfaser am Greifpunkt mitgenommen. Hat die Tuftnadel die erste Wand durchstoßen, so hat damit auch der Greifpunkt die Wand durchstoßen. Die beiden Abschnitte der Verstärkungsfaser stehen dann derart von der Tuftnadel ab, dass sie in einem gebildeten Loch durch die erste Wand hindurchtreten. Gleiches gilt im Übrigen für die zweite Wand, welche bei weiterer, typischerweise linearer Bewegung der Tuftnadel durchstoßen wird. Dann gehen die Abschnitte von dem Greifpunkt aus gesehen zunächst durch die zweite Wand und dann durch die erste Wand.

Sofern die Verstärkungsfaser während des Vorgangs nur einseitig oder ungleichmäßig nachgeführt wird, verschiebt sich der Greifpunkt entlang der Verstärkungsfaser während der Bewegung der Tuftnadel. Als Greifpunkt wird typischerweise derjenige Punkt auf der Verstärkungsfaser verstanden, an welcher die Tuftnadel die Verstärkungsfaser greift und somit manipulieren kann, beispielsweise weil die Verstärkungsfaser am Greifpunkt durch eine Öse der Tuftnadel geht oder auf sonstige Weise gegriffen wird. Vom Greifpunkt aus stehen jeweils die Abschnitte ab. Diese können dann entlang der Verstärkungsfaser gesehen ebenfalls variabel sein.

Sofern im Rahmen der Verfahrensführung eine Tuftnadel erwähnt ist, bezieht sich dies typischerweise auf eine jeweilige Tuftnadel, welche eine der Verstärkungsfasern bearbeitet. Werden mehrere Verstärkungsfasern gleichzeitig bearbeitet erfolgt die Verfahrensführung typischerweise mit einer Tuftnadel pro Verstärkungsfaser.

Die Schlaufe kann insbesondere den für das Stützelement erforderlichen Raum bereitstellen. Die Schlaufe wird insbesondere in einer jeweiligen Verstärkungsfaser ausgebildet. Ist das Stützelement in die Schlaufe eingebracht, so kann die eben eingebrachte Verstärkungsfaser nicht mehr durch die zweite Wand durchgezogen werden. Das Ergebnis des Tuftens wird somit beibehalten, nämlich dass sich der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt der Verstärkungsfaser nun zwischen den beiden Wänden erstrecken und damit später als Verbindung dienen können, die Kräfte aufnehmen kann, welche auf die Wände wirken.

Dies ermöglicht es beispielsweise, die beiden Wände eben auszuführen, was grundsätzlich eine für die Aufnahme von Innendruck weniger stabile Ausführung ist als runde Wände. Die Verbindungen können jedoch wirkende Kräfte aufnehmen und die Wände gegeneinander stabilisieren. Dadurch können beispielsweise niedrigere Wandstärken verwendet werden als sie ohne solche Verbindungen erforderlich wären.

Unter einer Verbindung kann insbesondere ein Abschnitt oder eine Kombination mehrerer Abschnitte einer Verstärkungsfaser verstanden werden, welcher bzw. welche zwischen zwei Wänden einer Wandung verläuft bzw. verlaufen und die Wände gegeneinander stabilisiert bzw. stabilisieren. Die Verbindung verläuft typischerweise im Innenraum eines Druckbehälters.

Eine Verstärkungsfaser ist typischerweise eine längliche Faser mit einer bestimmten Zugfestigkeit, welche Kräfte aufnehmen kann. Eine Tuftnadel ist beispielsweise eine langgestreckte Nadel mit Spitze, die eine Öse oder einen Bereich mit einer Gabelung zum Greifen der Verstärkungsfaser aufweisen kann.

Die Wandung umschließt typischerweise einen Innenraum, in welchem im fertigen Druckbehälter gasförmiger Brennstoff gelagert werden kann. Die Wände sind insbesondere Bestandteil dieser Wandung, wobei die Wandung auch noch weitere Bestandteile haben kann, beispielsweise gebogene Abschnitte, welche die Wände miteinander verbinden.

Unter einer Reihe von Verbindungen kann insbesondere eine Mehrzahl paralleler, beispielsweise unmittelbar nebeneinander und/oder entlang einer Linie angeordneter Verbindungen verstanden werden. Es ist ein besonderer Vorteil der hier offenbarten Technologie, dass mehrere Tuftnadeln oder auch eine Vielzahl von Tuftnadeln verwendet werden können, welche insbesondere gemeinsam bewegt werden können. Hierzu können sie insbesondere an einer gemeinsamen Tragevorrichtung bzw. Führung montiert sein. Dies erlaubt eine parallele und besonders effiziente Fertigung.

Ein Stützelement kann insbesondere ein stabiles Element sein, das nach dem Einbringen in die Schlaufe verhindert, dass die Verstärkungsfaser wieder durch die Wände gezogen wird. Im fertigen Zustand kann das Stützelement insbesondere auch für eine geeignete Kraftverteilung sorgen. Ein Stützelement kann insbesondere ein Körper mit einer Längsrichtung und mit einem quer zur Längsrichtung konstanten Querschnitt sein. Auf mögliche Ausführungen wird weiter unten noch eingegangen werden.

Die erste Wand kann insbesondere parallel zur zweiten Wand sein. Dies ermöglicht beispielsweise die Anpassung an flache Einbauräume oder allgemeiner an Einbauräume mit komplementär zur Wandung ausgebildeter Form.

Die Wandung kann insbesondere aus gewickelten Carbonfaserlagen bestehen. Diese haben sich für die Herstellung von Druckbehältern bewährt. Sie können insbesondere in einem separaten Wickelprozess gewickelt werden, so dass in die dabei gebildete Wandung dann die Verstärkungsfasern eingebracht werden können. Anschließend kann die Wandung beispielsweise mit einer Matrix getränkt oder damit überzogen werden, um Festigkeit und/oder Gasdichtigkeit herzustellen. Dabei kann die Wandung, die zunächst insbesondere nur die erwähnten Fasern aufweisen kann, in einen endgültigen Zustand gebracht werden. Dieser endgültige Zustand kann beispielsweise derjenige einer faserverstärkten Schicht sein, in welcher die aus Fasern ausgebildete Wandung in die Matrix eingebettet ist, diese also verstärkt. Gewickelte Carbonfaserlagen haben insbesondere den Vorteil, dass sie bei Durchstoßen derTuftnadel unproblematisch eine kleine Öffnung hierfür freigeben können. Eine solche Öffnung kann insbesondere dadurch entstehen, dass angrenzende Carbonfasern etwas zur Seite geschoben werden. Auch die Verwendung anderer Fasern als Carbonfasern ist möglich. Anstatt eines nachträglichen Aufbringens einer Matrix können beispielsweise auch Fasern für die Wandung verwendet werden, welche mit Matrixmaterial überzogen sind.

Die Verstärkungsfasern können insbesondere aus Aramid- oder Kohlenstofffasern ausgebildet sein. Derartige Materialien haben sich für typische Anwendungen bewährt. Auch die Verwendung anderer Materialien ist jedoch möglich.

Insbesondere können mehrere Tuftnadeln simultan bewegt werden. Dies kann beispielsweise durch Anbringung der Tuftnadeln an eine gemeinsame Führung erfolgen. Es ermöglicht eine sehr effiziente Herstellung, weil viele Tuftnadeln gleichzeitig bewegt werden können. Unter einer simultanen Bewegung ist insbesondere eine gleichartige und gleichzeitige Bewegung zu verstehen. Anders ausgedrückt führen die Tuftnadeln gleichzeitig die gleichen Bewegungen aus.

Soweit im Rahmen des Verfahrens eine Verstärkungsfaser erwähnt ist, mit welcher beispielsweise ein bestimmter Verfahrensschritt ausgeführt wird oder welche eine bestimmte Eigenschaft hat, so ist damit für den Fall, dass mehrere Verbindungen entlang einer Reihe gleichzeitig ausgebildet werden, typischerweise gemeint, dass der Verfahrensschritt mit jeder Verstärkungsfaser ausgeführt wird oder jede Verstärkungsfaser die Eigenschaft hat.

Vorzugsweise wird während des Durchstoßens der Wände mit derTuftnadel die Verstärkungsfaser von einer Bevorratungseinrichtung nachgeliefert oder abgewickelt. Eine solche Bevorratungseinrichtung kann beispielsweise eine Spule sein. Typischerweise ist ein Abschnitt während das Tuftens fixiert, entweder unmittelbar durch Verankerung oder Befestigung, beispielsweise an oder in der Wandung bzw. einer Matrix, was insbesondere an einer endseitigen Stelle der Verstärkungsfaser der Fall sein kann, oder es befindet sich nebenan bereits eine Verbindung, von welcher aus sich die Verstärkungsfaser erstreckt und welche typischerweise beim Tuften der nächsten Verbindung festgezogen wird. Wenn der erste Abschnitt entsprechend befestigt ist, kann insbesondere der zweite Abschnitt von einer Bevorratungseinrichtung nachgeliefert werden. Dies kann insbesondere von selbst dadurch erfolgen, dass beim Tuften durch eine Tuftnadel ein Zug auf den zweiten Abschnitt wirkt und dieser sich deshalb von einer Bevorratungseinrichtung wie beispielsweise einer Spule abwickelt. Auch eine aktive Zuführung ist jedoch möglich.

Die Schlaufe kann insbesondere durch ein Zurückziehen der Tuftnadel ausgebildet werden. Dadurch kann die auf die Verstärkungsfaser wirkende Spannung gelockert werden und aufgrund der Reibung, mit welcher die Verstärkungsfaser in der Wandung gehalten wird, bildet sich die Schlaufe aus. Das Zurückziehen zum Ausbilden der Schlaufe kann insbesondere in eine Richtung erfolgen, welche der Richtung, in welcher die Verstärkungsfasern eingesetzt werden, entgegengesetzt ist.

Insbesondere kann das Verfahren derart durchgeführt werden dass die Tuftnadel beim Zurückziehen zum Ausbilden der Schlaufe nur soweit zurückgezogen wird, dass sie die zweite Wand noch durchstößt, d.h. insbesondere dass ein Längsende der Verstärkungsfaser noch nicht durch die zweite Wand durchtritt. Dadurch wird vermieden, dass die Verstärkungsfaser anstatt des Ausbildens einer Schlaufe durch die zweite Wandung hindurchtritt.

In jeder Tuftnadel kann insbesondere eine Öse ausgebildet sein. Diese kann beispielsweise unmittelbar angrenzend an eine Spitze bzw. einen spitz zulaufenden Abschnitt der Tuftnadel angeordnet sein. Die mittels der Tuftnadel einzusetzende Verstärkungsfaser kann insbesondere durch die jeweilige Öse verlaufen und während des hierin beschriebenen Verfahrens zumindest im Wesentlichen in dieser verbleiben. Dies kann insbesondere unter einem Greifen der Verstärkungsfaser verstanden werden. Die Tuftnadel kann auf diese Weise die Verstärkungsfaser führen und beispielsweise die Verstärkungsfaser mit durch die Wände nehmen. Wenn das Stützelement durch die Schlaufe geführt wurde wird die Verstärkungsfaser daran gehindert, mit der Öse wieder vollständig oder weitgehend zurückgezogen zu werden. Vielmehr verläuft beim Zurückziehen der Tuftnadel die Verstärkungsfaser typischerweise durch die Öse.

Alternativ kann zum Greifen der Verstärkungsfaser beispielsweise auch ein gabelartiges Längsende der Tuftnadel verwendet werden.

Allgemeiner kann unter einem Greifen eine Verbindung zwischen Tuftnadel und Verstärkungsfaser verstanden werden, welche es der Tuftnadel erlaubt, die Verstärkungsfaser zu manipulieren, beispielsweise wie erwähnt unter Durchstoßen der Wände die Verstärkungsfaser mitzunehmen und damit eine Verbindung auszubilden. Das Greifen kann über mehrere auszubildende Verbindungen gleich bleiben, beispielsweise bei Verwendung einer Öse, oder auch jedes Mal neu hergestellt werden, beispielsweise bei Verwendung eines gabelartigen Längsendes.

Bevorzugt wird nur ein Stützelement in alle Schlaufen einer Reihe eingebracht. Dadurch kann eine besonders effiziente Fertigung erreicht werden. Auch die Verwendung mehrerer Stützelemente ist jedoch möglich.

Das Stützelement kann insbesondere eine gebogene Um lenkungsfläche zum Umlenken der Verstärkungsfaser oder der Verstärkungsfasern aufweisen. Dadurch können Verstärkungsfasern entlang der Um lenkungsfläche um das Stützelement herum geführt werden und Kräfte können entlang dieser Um lenkungsfläche in die Verstärkungsfaser oder die Verstärkungsfasern eingebracht werden. Die Um lenkungsfläche kann insbesondere einen halbkreisförmigen Querschnitt haben. Sie kann insbesondere einen gebogenen Abschnitt des Stützelements bilden. Das Stützelement kann auch einen spitz zulaufenden Abschnitt zum Zuführen der Abschnitte zur zweiten Wand aufweisen. Dieser kann insbesondere unmittelbar an die Um lenkungsfläche angrenzen und kann dafür sorgen, dass die Verstärkungsfaser von ihrer größten Aufweitung an der Um lenkungsfläche definiert zum besonders schmalen Durchtritt durch die zweite Wand geführt wird. An seiner nächsten Stelle zur Wandung kann der spitz zulaufende Abschnitt insbesondere eine Spitze bzw. eine kleineste Breite im Querschnitt aufweisen.

Die Verstärkungsfaser kann insbesondere nach dem Einbringen des Stützelements durch Ziehen an dem zweiten Abschnitt gespannt werden. Dadurch wird das Stützelement festgezogen und auch die Verbindung zwischen den Wänden wird so gespannt, dass sie für die spätere Aufnahme von Kräften vorbereitet ist. Das Ziehen am zweiten Abschnitt kann insbesondere im Rahmen des nächsten Tuftvorgangs zur Ausbildung der nächsten Verbindung erfolgen.

Der zweite Abschnitt kann insbesondere bei der Ausbildung der nächsten Verbindung den ersten Abschnitt darstellen. Anders ausgedrückt wird zunächst eine Verbindung durch Tuften ausgebildet, wobei typischerweise der erste Abschnitt befestigt ist und der zweite Abschnitt nachgeführt wird. Dieser zweite Abschnitt gilt nun für einen nachfolgenden Tuftvorgang, in dem eine weitere Verbindung ausgebildet wird, als erster Abschnitt oder geht in einen solchen über.

Zwischen zwei Verbindungen einer Verstärkungsfaser kann insbesondere ein weiteres Stützelement eingebracht werden, das an der ersten Wand außenseitig anliegt und die Verstärkungsfaser oder die Verstärkungsfasern umlenkt. Insbesondere kann es alle Verstärkungsfasern umlenken. Damit kann ebenso wie auf der anderen Seite eine definierte Umlenkung der Verstärkungsfasern erreicht werden und es können Kräfte von der Wand in die jeweilige Verstärkungsfaser eingeleitet werden.

Das weitere Stützelement kann insbesondere eine ebene Anlagefläche zur Anlage an der ersten Wand aufweisen. Damit können Kräfte vorteilhaft in das weitere Stützelement eingeleitet werden, welches sie dann an die Verstärkungsfaser weitergibt. Das weitere Stützelement kann auch eine gebogene Um lenkungsfläche zum Um lenken der Verstärkungsfasern aufweisen. Das weitere Stützelement kann insbesondere alle Verstärkungsfasern um lenken und kann zwischen zwei Reihen von Verbindungen angeordnet sein.

Die Stützelemente können insbesondere aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein. Dies hat sich für typische Anwendungen als vorteilhaft erwiesen. Auch andere Werkstoffe wie beispielsweise Kunststoff sind jedoch möglich.

Die Stützelemente können insbesondere außerhalb der Wandung angeordnet werden.

Gemäß einer Ausführung kann während des Verfahrens ein Kern in der Wandung sein, der anschließend entfernt wird. Dies entspricht einer Verfahrensführung mit verlorenem Kern. Hierzu kann der Kern beispielsweise aus einem Material ausgebildet sein, welches sich ausspülen, ausblasen oder aussaugen lässt. Dazu kann der Kern beispielsweise aus einem Wachs, einem Thermoplasten oder einen löslichen, insbesondere wasserlöslichen oder säure-/base-löslichen Material ausgebildet sein. Das Entfernen des Kerns kann insbesondere nach Einbringung aller Verstärkungsfasern erfolgen. Gemäß einer Ausführung kann während des Verfahrens ein Kern in der Wandung sein, der im fertigen Druckbehälter in der Wandung verbleibt. Dieser Kern wird also nicht entfernt, sondern verbleibt auch nach Fertigstellung des Druckbehälters in diesem. Der Kern kann im fertigen Druckbehälter beispielsweise die Aufgabe eines Liners übernehmen, also die Permeation von gespeichertem Gas unterbinden.

Der Kern kann beispielsweise während des Verfahrens oder während Teilen des Verfahrens unter Druck gesetzt werden. Hierzu kann insbesondere ein Druck, beispielsweise ein Gasdruck, in einem Innenraum des Kerns erhöht werden. Dadurch kann die Stabilität erhöht werden.

Die Verbindungen können insbesondere Abstände von höchstens 5 mm zueinander aufweisen. Dies hat sich für typische Ausführungen als vorteilhaft erwiesen, um entstehende Kräfte ideal in die Verstärkungsfasern einzuleiten und die Wände gegeneinander abzustützen. Es können jedoch grundsätzlich auch größere Abstände verwendet werden. Die Abstände können insbesondere entlang einer Reihe und/oder quer dazu entlang unmittelbar benachbarter Verbindungen einer Verstärkungsfaser gemessen werden.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters, umfassend Bereitstellen einer Wandung,

Ausbilden von Verbindungen zwischen Wänden der Wandung mittels eines hierin offenbarten Verfahrens, und

Anbringen eines Matrixmaterials, welches die Wandung umgibt.

Dies erlaubt eine besonders effiziente Herstellung eines Druckbehälters mit intern ausgebildeten Verbindungen zum Abstützen der Wände. Bezüglich des Verfahrens zum Ausbilden von Verbindungen kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen zurückgegriffen werden.

Es kann insbesondere ferner ein Schritt eines Einbringens eines Linermaterials vorgesehen sein, welches insbesondere innen an der Wandung anliegt, den Behälter abdichtet und/oder als Permeationsbarriere für Wasserstoff dient.

Die Matrix bzw. das Matrixmaterial kann insbesondere aus Epoxid oder Gusspolyamid ausgebildet sein. Sie dient insbesondere dazu, die Wandung des Druckbehälters zu stabilisieren und zu schützen. Auch kann sie je nach Ausführung für Dichtigkeit gegenüber Gas sorgen, insbesondere wenn kein Liner verwendet wird. Insbesondere wenn eine thermoplastische Matrix verwendet wird kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein Liner, sofern ein solcher vorhanden ist, aus dem gleichen Werkstoff wie die Matrix besteht. Damit kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Liner und Außenwand erreicht werden.

Bevorzugt können Endbereiche der Verstärkungsfaser oder der Verstärkungsfasern in dem Matrixmaterial befestigt werden. Hierbei kann es sich insbesondere um Bereiche bzw. Abschnitte handeln, welche unmittelbar an freie Längsenden angrenzen. Zum Befestigen können sie eingebettet oder mit speziellen Befestigungsmitteln befestigt werden. Sie können auch kraft-, form- oder stoffschlüssig fixiert werden. Beispielsweise können zwei Enden miteinander verknüpft werden, was eine kraftschlüssige Verbindung darstellt, oder es kann eine Verklebung der Enden im Matrixmaterial der Außenwand erfolgen, was eine stoffschlüssige Verbindung darstellt. Die Befestigung stellt sicher, dass die Verstärkungsfasern nicht an ihren Endstellen ausreißen. Kanten der Wandung können insbesondere abgerundet ausgeführt sein.

Dies ermöglicht eine gute Druckverteilung an den Kanten. Wände, zwischen denen die Verbindungen ausgebildet werden, können insbesondere parallel zueinander ausgeführt sein.

Auch Ecken der Wandung können abgerundet ausgeführt sein. Beispielsweise können hierfür Einlagen, z.B. Fiber Patches, mit eingewickelt werden.

Beispielsweise wenn Ecken der Wandung bzw. des Druckbehälters nicht oder nur bedingt durch zusätzliche Wickellagen abgebildet werden, können an Ecken zusätzliche Elemente verwendet werden, beispielsweise Einlagen aus Faserverbundlagen, insbesondere angeordnet zwischen den gewickelten Fasern bzw. Faserverbundlagen, oder Einlagen aus Metall, insbesondere angeordnet in den Ecken oder Eckbereichen zwischen den Fasern bzw. Faserverbundlagen und einem Liner.

Eine Wandung, die von einem Matrixmaterial umgeben wird, kann insbesondere eine Außenwand eines fertigen Druckbehälters bilden. Bezüglich der Außenwand kann dann von einem faserverstärkten Material gesprochen werden.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner einen Druckbehälter, der mittels eines hierin offenbarten Verfahrens gemäß einer oder mehrerer möglicher Ausführungen hergestellt wurde.

Ein gemäß des hier offenbarten Verfahrens hergestellter Druckbehälter kann insbesondere für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) verwendet werden. Er dient insbesondere zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigem Brennstoff. Der Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem (auch Compressed Natural Gas oder CNG genannt) oder verflüssigtem (auch Liquid Natural Gas oder LNG genannt) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der Druckbehälter ist typischerweise mit mindestens einem Energiewandler fluidverbunden, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln.

Der Druckbehälter kann insbesondere als composite overwrapped pressure vessel ausgeführt sein. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein.

Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von mindestens 350 barü (=

Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) oder mindestens 700 barü zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.

Der Druckbehälter kann wie bereits erwähnt einen Liner umfassen. Der Liner bildet den Hohlkörper aus, in dem der Brennstoff gespeichert ist. Der Liner kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus deren Legierungen hergestellt sein. Ferner bevorzugt kann der Liner aus einem Kunststoff hergestellt sein. Es kann ebenso auch ein linerloser Druckbehälter vorgesehen sein.

Der fertige Druckbehälter kann insbesondere eine faserverstärkte Schicht umfassen. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet.

Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe. Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern. Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Die faserverstärkte Schicht weist i.d.R. mehrere Schichtlagen auf. Die faserverstärkte Schicht kann insbesondere wie weiter oben beschrieben dadurch ausgebildet werden, dass Fasern in Form einer Wandung ausgebildet werden und dann ein Matrixmaterial aufgebracht wird. Dabei kann eine Außenwand des Druckbehälters gebildet werden.

In den Druckbehälter kann insbesondere ein Ventil eingebracht werden, welches zum Befüllen und/oder zur Entnahme verwendet werden kann. Auch mehrere Ventile können eingebracht werden. Über derartige Ventile kann beispielsweise auch ein verlorener Kern entfernt werden.

Allgemein sei erwähnt, dass zur Verringerung von Kosten für zukünftige Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEVs), herstellerübergreifend versucht wird, gemeinsame Fahrzeugarchitekturen für Batterieelektrofahrzeuge (BEVs) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEVs) zu entwerfen. Dies bedeutet unter anderem, dass gleiche oder zumindest sehr ähnliche Bauräume für die Integration der Antriebsstrangkomponenten für die unterschiedlichen Antriebsvarianten genutzt werden sollen. Mit Blick auf den Energiespeicher werden in heutigen BEVs Hochvoltbatterien im Fahrzeugunterboden zumeist in flachen und annähernd quaderförmigen Bauräumen integriert. Für eine Nutzung der gleichen Fahrzeugarchitektur für BEVs und FCEVs bedeutet dies, dass die bislang konventionellen zylindrischen Wasserstoffdruckbehälter aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit großen Durchmessern geometrisch angepasst werden müssen, um in die bestehenden Bauräume für Hochvoltbatterien integriert werden zu können. Um Kundenansprüchen hinsichtlich Fahrzeugreichweite pro Tankladung gerecht zu werden, sollte der vorhandene quaderförmige Bauraum möglichst effizient für die Speicherung des gasförmigen Wasserstoffs oder sonstigen Brennstoffs in Druckbehältern genutzt werden. Eine besonders effiziente Lösung stellen Druckbehälter mit einem rechteckigen Querschnitt dar, die im Behälterinneren mit Zugstreben versehen sind. Die Zugstreben, auch als Verbindungen bezeichnet, stellen dabei sicher, dass gegenüberliegende planare Flächen auch unter hoher Innendruckbelastung ihre planare Form behalten und nicht ausbeulen.

Eine beispielhafte Außengeometrie eines Druckbehälters zum Speichern von gasförmigen Kraftstoffen bis zu einem nominalen Arbeitsdruck von beispielsweise 70 MPa kann beispielsweise von einem Quader ausgehen, dessen Kanten und Ecken an den kleinen Seitenflächen abgerundet sind.

Die großen gegenüberliegenden Flächen (Ober- und Unterseite) sind beispielsweise nicht abgerundet und liegen parallel zueinander. Eine Außenwand des Druckbehälters besteht beispielsweise aus gewickelten Carbonfaserlagen. Die planaren Bereiche der Außenwand können mit Zugstreben bzw. Verbindungen zusammengehalten werden, um eine Verformung infolge des Innendrucks zu vermeiden. Als Werkstoff für die Zugstreben kommen vor allem Aramid- und Kohlenstofffasern in Frage. Für die Übertragung der Kräfte von der Zugstrebe in die Tankwände können Stützelemente verwendet werden, die einerseits der Umlenkung der Zugstrebe und andererseits der flächigen Übertragung der Kräfte von Zugstrebe auf Tankwand dienen. Im Querschnitt weisen die Stützelemente beispielsweise eine Halbkreisform auf. Die Stützelemente sind bevorzugt so beschaffen, dass sie große Druckkräfte aufnehmen können, vorzugsweise kommen metallische Werkstoffe zum Einsatz. Somit werden beispielsweise aus der Innendruckbelastung resultierende Kräfte in z-Richtung durch die Zugstreben aufgenommen und in x- und y-Richtung durch die Außenwand aufgenommen. An der Innenseite der Außenwand des Druckbehälters kann ein Liner anliegen, der die Permeation des Wasserstoffs oder eines sonstigen Gases durch die Druckbehälterwand verhindert oder verringert, falls eine mit einem Matrixwerkstoff getränkte Außenwand die Permeationsanforderungen nicht erfüllen kann. Als Werkstoffe für die Matrix der Außenwand kommen beispielsweise Epoxide oder Gusspolyamide in Frage. Für den Fall einer thermoplastischen Matrix bietet es sich an, dass der Liner aus dem gleichen Werkstoff besteht, um so eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Liner und Außenwand zu erreichen. Auch die Verwendung unterschiedlicher Materialien ist jedoch möglich. Zusätzlich ist in dem Druckbehälter vorzugsweise ein Ventil eingearbeitet, das das Befüllen sowie Entnehmen von Wasserstoff oder einem anderen Gas ermöglicht.

Falls die Ecken des Druckbehälters nicht oder nur bedingt durch zusätzliche Wickellagen abgebildet werden, werden an diesen Stellen bevorzugt zusätzliche Elemente eingebracht. Hierbei können beispielsweise folgende Elemente verwendet werden:

Einlagen aus Faserverbundlagen, die im Eckbereich insbesondere zwischen den gewickelten Faserverbundlagen angeordnet sind.

Einlagen aus Metall, die in den Eckbereichen insbesondere zwischen den Faserverbundlagen und dem Liner angebracht sind.

Für die Anbindung der Zugstreben, hierin auch als Verbindungen oder Verstärkungsfasern bezeichnet, an einer Wand werden grundsätzlich zwei beispielhafte Umlenkungsvarianten unterschieden. Eine erste Variante zeigt eine Schlaufe, die durch zwei Stiche gebildet wird. Die Schlaufe wird über zwei Durchführungen gebildet, die die Faserlagen und den optionalen Liner durchdringen. Die Schlaufe liegt straff auf dem Stützelement, das im Querschnitt eine Halbkreisform aufweist, auf. Eine zweite Variante sieht vor, dass zur Ausbildung der Schlaufe nur eine Durchführung durch die Faserlagen und den optionalen Liner führt. Die Durchführung wird vorzugsweise durch einen Einstich mit einer Nähnadel bzw. Tuftnadel erzeugt. Das halbrunde Stützelement ist dabei zusätzlich mit einem zweiten Stützelement unterhalb ausgestattet, die eine ausreichende Höhe zur Ausbildung der Schlaufe schafft und so eine bessere Führung der Strebe zum Durchdringungsloch der Außenwand zu gewährleisten. Dadurch wird vermieden, dass die Strebe durch eine eventuelle scharfe Kante des Umlenkungselementes beschädigt wird.

An die Stützelemente werden beispielsweise folgende Anforderungen gestellt:

Gerichtete Umlenkung der Zugstreben zur Vermeidung von

Einschnüren in die Außenwand,

Flächige Krafteinleitung der Strebenzugkräfte in die Außenwand,

Beitrag zur Abstandseinhaltung der Streben.

Abstände zwischen den Zugstreben größer 5 mm sind in manchen Ausführungen weniger geeignet für die gewählte Bauweise, da dann zu hohe Kräfte je Strebe in die Außenwand übertragen würden. Dies würde zu einer hohen Schubbelastung in der Außenwand führen. Da die Außenwand beispielsweise aus einem Laminat besteht, das sich aus den unterschiedlichen Faserwicklungen zusammensetzt, ist sie nicht geeignet, um hohe Schublasten aufzunehmen. Folglich werden Strebenabstände von beispielsweise kleiner 5 mm angepeilt. In anderen Ausführungen sind jedoch auch größere Abstände möglich. Zur Herstellung des Tanks bzw. Druckbehälters wird im ersten Schritt beispielsweise eine Wandung für eine Außenwand aufgebaut. Da diese beispielsweise durch Faserwickeln entsteht, wird ein Wickelkern benötigt, der die Innenkontur der Außenhaut abbildet. Nachfolgend sind zwei Herstellverfahren beschrieben, die sich im Wesentlichen durch den gewählten Wickelkern unterscheiden. Das Anbringen von Zugstreben ist nachfolgend separat beschrieben.

Herstellverfahren A - Verwendung eines Verlustkerns aus einem löslichen/schmelzbaren Werkstoff

Die Kernvariante A sieht einen Wickelkern vor, der lediglich für das Herstellverfahren des Druckbehälters benötigt wird und im Nachgang entfernt wird. Für unterschiedliche Wickelrichtungen kann der Wickelkern in seiner Einspannung gedreht werden. Die Herstellung des Kerns kann beispielsweise durch einen Gießprozess oder ein 3D-Druckverfahren erfolgen. Als Werkstoffe kommen beispielsweise Wachse oder Thermoplaste mit niedrigem Schmelzpunkt in Frage, die im Nachgang durch geringes Erhitzen wieder ausgeschmolzen werden können. Weiterhin bieten sich lösliche Werkstoffe an wie beispielsweise wasserlösliche oder durch eine Säure-/Laugenlösung zersetzbare/lösliche Werkstoffe wie zum Beispiel Sandkerne oder (wasser-)lösliche synthetische Werkstoffe. Die Geometrie des Kerns bildet einerseits die Innenkontur der Außenhaut ab.

Gleichermaßen hat der Kern vorteilhaft ein Lochmuster, welches dem Aufbau der Zugstreben dient. Der Querschnitt der Löcher kann an die Geometrie des Werkzeugs, welches für die Anbringung der Zugstreben notwendig ist, angepasst werden. Beispielsweise rund oder viereckig. Gleichermaßen kann das Lochmuster als Werkzeugführung dienen. Nach dem Anbringen der Zugstreben (im Detail separat erläutert) werden die gewickelten Fasern, die die Außenhaut des Druckbehälters abbilden, sowie optional die Fasern, die die Zugstreben bilden, getränkt. Dies kann beispielsweise durch eine Vakuum Infiltration odereine druckgestützte Injektion des Harzes in einem Resin Transfer Molding Prozess erfolgen. Eine andere Möglichkeit stellt die Verwendung von vorimprägnierten Fasern dar. Als Matrixwerkstoffe kommen beispielsweise Epoxidharze und Thermoplaste in Frage. Der Kern verhindert jeweils das Füllen des späteren Druckbehälternutzvolumens mit Harz.

Nachdem der Matrixwerkstoff eingebracht worden ist, kann der Kern durch ein Betankungs- und Entnahmeventil entfernt werden. Das Entnehmen des Kernmaterials kann beispielsweise beschleunigt werden, indem über einen Bypass Luft in das Innere des Druckbehälters geführt wird. Abhängig davon, ob die Außenwand und die Anbindung der Streben an diese die gewünschten Dichtigkeits- und Permeationsanforderungen erfüllen, kann nachträglich ein Liner beispielsweise durch ein dem Schleuderguss ähnliches Verfahren eingebracht werden. Als bevorzugter Werkstoff für den Liner kommt ein Gusspolyamid in Frage.

Herstellverfahren B - Kern, der nach dem Wickeln im Bauteil bleibt und gleichzeitig die Funktion des Liners übernimmt

Die Kernvariante B sieht einen Wickelkern vor, der sowohl den Herstellungsprozess des Druckbehälters unterstützt als auch die Funktion des Liners im späteren Druckbehälter übernimmt. Die Ober- und Unterseite des Kerns sind dabei durch rohrartige Hohlräume verbunden, durch die die Zugstreben verlaufen. Als Herstellungsverfahren für den Kern kommt vorzugsweise ein 3D-Druckverfahren zum Einsatz. Als Werkstoff für den Liner wird vorzugsweise ein polymerer Werkstoff, falls möglich ein Thermoplast gewählt. Falls das Matrixmaterial der Außenhaut ebenfalls ein Thermoplast ist, wird beispielsweise der gleiche Werkstoff für den Kern gewählt, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Außenhaut und Kern realisiert werden kann. Das Aufbringen der Wickellagen, das Anbringen der Zugstreben bzw. Verbindungen sowie das Tränken der Fasern erfolgt analog zum Herstellverfahren A. Für das Tränken der Fasern kann der Wickelkern zusätzlich über das Betankungs- und Entnahmeventil mit einem Druckmedium gefüllt werden, um formstabil zu bleiben, falls das Matrixmaterial mittels Überdruck aufgebracht wird.

Tuftprozess zum Anbringen der Zugstreben

Die Zugstreben bzw. Verbindungen des Druckbehälters werden beispielsweise durch hochfeste Fasern, vorzugsweise Aramid- oder Kohlenstofffasern, gebildet. Ein Faserstrang wird dabei vorteilhaft für mehrere Zugstreben verwendet, indem er außerhalb der Außenwände umgelenkt wird. Entsprechend liegt dem Einbringen der Zugstreben ein Näh- bzw. Tuftprozess zugrunde.

Um den Tuftprozess mit mehreren Nadeln gleichzeitig durchführen zu können, sind die Tuftnadeln beispielsweise auf einer Schiene bzw. Halterung befestigt. Beim Bewegen der Schiene in negative z-Richtung werden alle Nadeln zunächst durch die Faserlagen der Außenwand an der Oberseite, dann das Lochmuster des Kerns und anschließend durch die Faserlagen der Außenwand an der Unterseite geführt. Beim Zurückziehen der Nadeln bilden sich die für den Tuftprozess charakteristischen Schlaufen. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Tuftnadeln entsprechende Nuten aufweisen, in denen die Faser läuft und beim Zurückziehen auf einer Seite geklemmt wird. Aufgrund der Vielzahl der verwendeten Nadeln entsteht eine Schlaufengasse durch die das Stützelement an der Unterseite geschoben werden kann. Die Nadeln werden nun komplett aus den Faserlagen gezogen und nun mittels eines Faserspannsystems das Stützelement auf die Außenwand der Unterseite gezogen. Das Faserspannsystem besteht aus einer Faserdurchführung bei der je nach Stellung des Spannhebels die einzelnen Fasern der Tuftnadeln relativ leicht durchgezogen werden können oder gesperrt werden. Bei Einstechen der Tuftnadeln können so die Fasern leicht nachrutschen und nach dem Zurückziehen der Nadeln, die Schlaufen über das gesperrte Spannsystem festgezogen werden. Anschließend wird die Tuftnadel wieder in positiver z-Richtung aus dem Wickelkern entfernt und der Faden gestrafft, um das Festsitzen des Umlenkungselements auf der Unterseite sicherzustellen. Anschließend wird der Wickelkörper in negative y- Richtung verschoben und ein weiteres Stützelement kann für die Umlenkung der Zugstrebenfasern eingelegt werden. Durch das Wiederholen des Vorgangs entsteht eine weitere Umlenkung auf der Oberseite. Besonders zu erwähnen ist, dass mehrere Tuftungen parallel (insbesondere in x-Richtung) durchgeführt werden können, sodass der gesamte Tuftvorgang zur Fertigstellung des Druckbehälters einen kontinuierlichen Prozess widerspiegelt, der einen kontinuierlich getakteten Vorschub in negative y- Richtung durchläuft. Entsprechend unterscheidet sich vor allem die Ausführung der Schlaufenumlenkung an Ober- und Unterseite während des Tuftprozesses.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1: einen Ausschnitt aus einem Druckbehälter,

Fig. 2: eine erste Art einer Umlenkung,

Fig. 3: eine zweite Art einer Umlenkung,

Fig. 4: einen Kern,

Fig. 5: einen weiteren Kern,

Fig. 6: eine Tuftnadel,

Fig. 7: einen Zustand während einer Fierstellung eines Druckbehälters, und Fig. 8: ein Zusammenwirken von Verbindungen und Umlenkungen. Fig. 1 zeigt rein schematisch einen Ausschnitt aus einem Druckbehälter 10, wobei dieser noch nicht vollständig fertiggestellt ist und des Weiteren aufgeschnitten ist, um auch Komponenten im Inneren des Druckbehälters 10 zu sehen.

In Fig. 1 ist auch ein typisches Koordinatensystem eines solchen Druckbehälters 10 gezeigt, wobei eine x-Richtung, eine y-Richtung und eine z-Richtung gezeigt sind. Die x-Richtung und die y-Richtung spannen typischerweise eine Ebene auf, welche beispielsweise in einem typischen Einbauzustand in einem Kraftfahrzeug horizontal liegen kann. Beispielsweise kann eine solche Ebene parallel zu einer Bodenplatte des Kraftfahrzeugs sein. Die z-Achse ist typischerweise eine Flochrichtung. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Druckbehälter 10 auch völlig anders in einem Kraftfahrzeug oder in einer anderen Einheit eingebaut werden kann, insbesondere völlig unabhängig von einer eventuellen Ausrichtung während der Herstellung des Druckbehälters 10.

Der Druckbehälter 10 weist eine Wandung 20 auf. Die Wandung 20 umgibt den Druckbehälter außenseitig. Sie ist aus gewickelten Fasern ausgebildet, was in Fig. 1 nicht dargestellt ist. Wird auf die Wandung 20 später noch eine Matrix aufgebracht wird eine faserverstärkte Schicht ausgebildet, welche eine Außenwand des Druckbehälters 10 im fertigen Zustand darstellen kann.

Die Wandung 20 weist insbesondere eine erste Wand 21 und eine zweite Wand 22 auf. Entlang der z-Richtung gesehen ist die erste Wand 21 obenseitig angeordnet und die zweite Wand 22 ist untenseitig angeordnet.

Die Wände 21 , 22 sind dabei parallel zueinander und sind insbesondere in sich eben. Dies führt grundsätzlich dazu, dass im Vergleich zu einer runden Wandung ein in dem Druckbehälter 10 gespeichertes, unter Druck stehendes Gas einen höheren Druck auf die erste Wand 21 und die zweite Wand 22 ausübt. Dies könnte grundsätzlich durch eine höhere Wandstärke kompensiert werden, was jedoch häufig unerwünscht ist.

Zur Kompensation des höheren Drucks sind in dem Druckbehälter 10 mehrere Verbindungen 23 aus Verstärkungsfasern angeordnet, welche wie gezeigt zwischen der ersten Wand 21 und der zweiten Wand 22 verlaufen. Sie erstrecken sich dabei quer zu der ersten Wand 21 und der zweiten Wand 22. Sie verbinden somit die beiden Wände 21 , 22 an vielen Stellen miteinander, wodurch sich die erste Wand 21 und die zweite Wand 22 gegenseitig abstützen. Dies führt dazu, dass diese auch bei deutlich geringerer Wandstärke als sonst erforderlich einen hohen Druck aufnehmen können und Beschädigungen an der Wandung 20 vermieden werden.

Die Verbindungen 23 sind wie gezeigt entlang mehrerer Reihen R angeordnet. Die Verbindungen 23 einer jeweiligen Reihe R verlaufen dabei parallel zueinander und sind entlang einer Strecke nebeneinander ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Herstellung, worauf nachfolgend näher eingegangen werden wird. Die Verbindungen 23 sind dabei aus mehreren durchgehenden Verstärkungsfasern ausgebildet, wobei jede Verstärkungsfaser Verbindungen mehrerer Reihen R ausbildet. Jede Verstärkungsfaser verläuft dabei grundsätzlich entlang der y-Richtung, d.h. sie bildet mehrere in y-Richtung hintereinander angeordnete Verbindungen 23 aus.

Sowohl auf der Oberseite wie auch auf der Unterseite sind die jeweiligen Verstärkungsfasern in geeigneterWeise umgelenkt, um einfach herstellbar zu sein und Kräfte in bevorzugterWeise aufnehmen und in die Verbindungen 23 einleiten zu können. Dies wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 beschrieben werden. Fig. 2 zeigt eine Umlenkung, welche insbesondere untenseitig an der zweiten Wand 22 verwendet werden kann. Hierbei ist ebenfalls eine Verstärkungsfaser 30 zu sehen, welche zunächst durch die zweite Wand 22 durchtritt und dann von einem Stützelement 40 umgelenkt wird. Das Stützelement 40 weist eine gebogene Um lenkungsfläche 41 und ferner einen spitz zulaufenden Abschnitt 42 auf. Das Stützelement 40 hat einen konstanten Querschnitt und erstreckt sich entlang derx-Richtung. Im Querschnitt hat das Stützelement 40 somit insgesamt eine Tropfenform.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Umlenkung spaltet sich die Verstärkungsfaser 30 in einen ersten Abschnitt 31 und einen zweiten Abschnitt 32 auf. Die Grenze zwischen beiden Abschnitten 31 , 32 verläuft dabei an der am weitesten entfernten Stelle von der zweiten Wand 22, also mit anderen Worten am tiefsten Punkt der gebogenen Um lenkungsfläche 41. Seitlich zur derart ausgebildeten Schlaufe ist noch eine zusätzliche Unterstützung 43 angeordnet, welche die Verstärkungsfaser 30 seitlich stabilisiert.

In Fig. 2 laufen oberhalb des Stützelements 40 die beiden Abschnitte 31 , 32 so weit zusammen, dass sie gemeinsam eine Verbindung 23 ausbilden. Sie sind deshalb nicht mehr separat dargestellt.

Innenseitig zur zweiten Wand 22 ist noch ein schematisch dargestellter Liner 25 ausgebildet, welcher für eine Verhinderung von Gasdiffusion sorgt.

Fig. 3 zeigt eine Umlenkung, wie sie typischerweise an der Oberseite, also oberhalb der ersten Wand 21 , erfolgt. Dabei ist eine umgelenkte Verstärkungsfaser 30 zu sehen, welche in einen ersten Abschnitt 31 und einen zweiten Abschnitt 32 unterteilt ist. Es sei erwähnt, dass die Benennung solcher Abschnitte hier jeweils vom Ort abhängt und insbesondere während eines Herstellungsverfahrens variieren kann, worauf nachfolgend näher eingegangen wird.

Zur Umlenkung der Verstärkungsfaser 30 ist ein weiteres Stützelement 45 vorgesehen. Dieses weitere Stützelement 45 hat einen halbkreisförmigen Querschnitt und erstreckt sich entlang derx-Richtung, wobei für jede Reihe R ein jeweiliges weiteres Stützelement 45 vorgesehen ist. Das weitere Stützelement 45 hat wie gezeigt im Querschnitt eine weitere gebogene Um lenkungsfläche 46, welcher vorliegend halbkreisförmig ausgeführt ist, sowie eine ebene Anlagefläche 47. Mit der ebenen Anlagefläche 47 liegt das weitere Stützelement an der ersten Wand 21 an. Die weitere gebogene Um lenkungsfläche 46 dient demgegenüber zur Um lenkung der Verstärkungsfaser 30 entlang eines Halbkreises.

Wie gezeigt stößt die Verstärkungsfaser 30 sowohl linksseitig wie auch rechtsseitig des weitere Stützelements 45 durch die erste Wand 31 durch. Auch innenseitig zur ersten Wand 21 ist der schematisch dargestellte Liner 25 ausgebildet, welcher für eine Verhinderung von Gasdiffusion sorgt.

Durch die gezeigte Ausführung wird eine von innen auf die erste Wand 21 ausgeübte Kraft, welche durch einen hohen Innendruck im Druckbehälter 10 entsteht, in idealerWeise auch in die Verstärkungsfaser 30 eingeleitet.

Sofern diese auf der anderen Seite in ähnlicher Weise mit der zweiten Wand 22 verbunden ist, ermöglicht die Verstärkungsfaser 30 somit, dass sich die beiden Wände 21 , 22 gegeneinander abstützen.

Bei der gezeigten Ausführung der Umlenkung von Fig. 3 gehört typischerweise der zweite Abschnitt 32 zu einer Verbindung 23 und der erste Abschnitt 31 gehört zu einer weiteren Verbindung 23, welche beispielsweise einen Abstand von 5 mm oder auch einen anderen Abstand von der zuerst erwähnten Verbindung 23 haben kann. Das weitere Stützelement 45 kann beispielsweise für den entsprechenden Abstand sorgen.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführung eines Kerns, welcher im Rahmen einer Herstellung eines Druckbehälters verwendet werden kann. Der Kern 100 weist dabei zumindest grob die Form auf, welche der Druckbehälter 10 in seiner endgültigen Ausbildung haben soll. Insbesondere können Fasern um den Kern 100 gewickelt werden, wobei der Kern 100 dafür die Form vorgibt.

Der Kern 100 weist insgesamt vier vorstehende Ecken 110 auf, welche die Ausbildung der Ecken in der x-y-Ebene erleichtern. Des Weiteren weist er eine Vielzahl von Durchgängen 120 auf, welche sich entlang der z-Richtung erstrecken. Die Durchgänge 120 definieren bei der Ausbildung der Verbindungen 23 deren Position und Ausrichtung.

Bei der Ausführung von Fig. 4 handelt es sich um einen Kern 100, welcher als verlorener Kern ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass er aus einem Material besteht, welches zwar während des Herstellungsprozesses für die nötige Stabilität sorgt, dann jedoch ausgeblasen oder ausgesaugt werden kann, so dass der Kern 100 im endgültigen Druckbehälter 10 nicht mehr vorhanden ist. Nachdem der Kern 100 ausgesaugt wurde, kann beispielsweise ein Liner ausgebildet werden, beispielsweise dadurch, dass ein hierfür vorgesehenes Material in den Druckbehälter 10 eingebracht wird und der Druckbehälter 10 dann in geeigneter Weise bewegt wird, damit der Liner die gesamte Innenoberfläche benetzt.

Fig. 5 zeigt einen Kern 200, welcher im Gegensatz zu demjenigen von Fig. 4 nicht als verlorener Kern ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass der Kern 200 auch nach dem Herstellungsprozess im fertigen Druckbehälter 10 verbleibt.

Er kann dabei insbesondere die Funktion eines Liners übernehmen, d.h. er kann aus einem Material ausgebildet sein, welches eine Permeation von Gas wie beispielsweise Wasserstoff aus dem Inneren des Druckbehälters 10 heraus unterbindet.

Auch der nicht verlorene Kern 200 weist eine Mehrzahl von Durchgängen 220 auf, welche Position und Ausrichtung der Verbindungen 23 definieren. Die Durchgänge 220 sind dabei wie gezeigt jeweils rohrförmig ausgebildet, so dass im fertigen Druckbehälter 10 die Verbindungen 23 zum Innenraum des Druckbehälters 10 hin umschlossen sind.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Tuftnadel 300, wie sie in dem nachfolgend beschriebenen Tuftprozess zur Herstellung eines Druckbehälters 10 verwendet werden kann. Die Tuftnadel 300 erstreckt sich wie gezeigt entlang einer Längsrichtung und weist an einem Längsende eine Spitze 310 auf. Angrenzend an die Spitze 310 ist durch die Tuftnadel 300 eine Öse 320 ausgebildet. Mit der Öse 320 kann die Tuftnadel 300 eine Verstärkungsfaser 30 greifen, wozu die Verstärkungsfaser 30 durch die Öse hindurchgehen kann. Typischerweise teilt die Öse 320 bzw. die Tuftnadel 300 die Verstärkungsfaser 30 in einen ersten Abschnitt 31 und einen zweiten Abschnitt 32 ein. Die Stelle, an welcher die Spitze 310 die Verstärkungsfaser 30 greift, wird typischerweise als Greifpunkt der Verstärkungsfaser 30 bezeichnet.

Fig. 7 zeigt einen typischen Zustand während einer Herstellung eines Druckbehälters 10. Eine Wandung 20 ist dabei bereits ausgebildet, wobei die Wandung 20 aus einer Vielzahl von Fasern besteht, welche um einen Kern 100 entsprechend der Ausführung von Fig. 4 gewickelt sind. Durch diese Wandung 20 mit ihrer ersten Wand 21 und ihrer zweiten Wand 22 werden nun eine Vielzahl von Verstärkungsfasern 30 parallel gestoßen, um die bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Verbindungen 23 auszubilden. Die Verstärkungsfasern 30 werden dabei parallel zugeführt und bearbeitet. Zur Zuführung ist eine nicht dargestellte Einrichtung vorhanden, welche beispielsweise jeweilige Spulen aufweisen kann, von welchen die Verstärkungsfasern 30 abgewickelt werden können.

Es sind mehrere Tuftnadeln 300 vorhanden, wobei für jede der Verstärkungsfasern 30 jeweils eine Tuftnadel 300 vorhanden ist. Die Tuftnadeln 300 sind an einer gemeinsamen Halterung 350 angeordnet, wobei die Halterung 350 bewegt werden kann und dadurch alle Tuftnadeln 300 parallel und gleichzeitig mitbewegt werden. Dadurch genügt es, die Halterung 350 in geeigneterWeise zu bewegen und zu führen, so dass alle Tuftnadeln 300 gleichzeitig den gleichen Vorgang ausführen. Dies ermöglicht eine sehr effiziente Verfahrensführung.

Die Spitzen 310 der Tuftnadeln 300 bzw. die Ösen 320, durch welche die Verstärkungsfasern 30 durchgehen, unterteilen jede Verstärkungsfaser 30 in jeweils einen ersten Abschnitt 31 und einen zweiten Abschnitt 32. Der erste Abschnitt 31 verläuft dabei wie gezeigt nach links und der zweite Abschnitt 32 verläuft wie gezeigt nach rechts. Grundsätzlich werden die Verstärkungsfasern 30 vor der Ausbildung einer Reihe von Verbindungen 23 über der ersten Wand 21 von den Tuftnadeln 300 gegriffen, indem die Verstärkungsfasern 30 durch die Ösen 320 durchgehen. Anschließend fahren die Tuftnadeln 300 vertikal nach unten, durchstoßen dadurch zuerst die erste Wand 21 und dann die zweite Wand 22. Dadurch wird die jeweilige Verstärkungsfaser 30 ebenfalls durch diese Wände 21 , 22 geführt, d.h. sie verläuft nun an der jeweiligen Stelle durch jeweils von selbst ausgebildete Löcher in den Wänden 21 , 22. Untenseitig stehen die Verstärkungsfasern 30 aus der zweiten Wand 22 hervor. Durch Zurückziehen der Tuftnadeln 300 derart, dass deren Spitzen 310 noch unterhalb der zweiten Wand 22 verbleiben, werden Schlaufen 35 ausgebildet, welche sich unterhalb der zweiten Wand 22 befinden. Durch diese Schlaufen 35 kann nun das bereits mit Bezug auf Fig. 3 erläuterte Stützelement 40 durchgeschoben werden, und zwar derart, dass alle entlang einer Reihe R ausgebildeten Schlaufen 35, in der Gesamtheit auch als Schlaufengasse bezeichnet, von diesem Stützelement 40 durchdrungen werden.

Anschließend können die Tuftnadeln 300 wieder nach oben gefahren werden, so dass sie wieder oberhalb der beiden Wände 21 , 22 angeordnet sind, diese also nicht mehr durchstoßen. Die Verstärkungsfasern 30 werden dabei jedoch nicht mitgezogen, d.h. insbesondere, dass sie mit ihren Schlaufen 35 unterhalb der zweiten Wand 22 verbleiben, da sie an dieser Stelle von dem eingebrachten Stützelement 40 gehalten werden. Die Verstärkungsfasern 30 verlaufen beim Zurückziehen durch die Ösen 320. An dieser Stelle wird nun eine Umlenkung entsprechend der Ausführung von Fig. 2 ausgebildet. Vorher kann gemäß einer möglichen Verfahrensführung eine Spannung der Verstärkungsfasern 30 durch eine nicht gezeigte Spannvorrichtung erfolgen, um die untenseitig ausgebildeten Schlaufen 35 festzuziehen. Alternativ kann dies auch im Rahmen der Ausbildung der nächsten Verbindung erfolgen.

Nach dem eben beschriebenen Vorgang stehen die Verstärkungsfasern 30 mit ihrem zweiten Abschnitt 32 nach rechts ab. Es kann insbesondere anschließend ein weiteres Stützelement 45 gemäß der Ausführung von Fig. 3 unter die zweiten Abschnitte 32 gelegt werden, wobei sich dieses typischerweise ebenfalls über alle Verstärkungsfasern 30 erstreckt und parallel zum bereits erwähnten Stützelement 45 auf der Unterseite ausgerichtet ist. Anschließend kann der Tuftprozess von neuem beginnen, und zwar insbesondere in y-Richtung versetzt. Hierzu können beispielsweise die Tuftnadeln 300 an ihrer Halterung 350 um einen vorbestimmten Betrag in y- Richtung verschoben werden, wobei auf diese Weise ein Abstand zwischen Reihen R eingestellt wird. Die Verstärkungsfasern 30 verbleiben dabei in den Ösen 320, wobei ein jeweiliger zweiter Abschnitt 32 einer Verstärkungsfaser 30 ein neuer erster Abschnitt 31 für die Ausbildung der nächsten Verbindung 23 wird.

Wenn die nächste Verbindung 23 ausgebildet wird, wird die Verstärkungsfaser 30 von den Tuftnadeln 300 wieder mit nach unten genommen, wobei die vorherige Verbindung 23 festgezogen wird. Dabei wird insbesondere für eine gewisse Spannung gesorgt, welche für ein Anliegen der Verstärkungsfaser 30 an dem Stützelement 40 sorgt. Ebenso wird auch an der Oberseite eine entsprechende Rundung an dem weiteren Stützelement 45 ausgebildet. Während die Verstärkungsfaser 30 von einer jeweiligen Tuftnadel 300 nach unten gezogen wird, erfolgt typischerweise vonseiten des zweiten Abschnitts 32 her ein Nachführen der Verstärkungsfaser 30, beispielsweise von einer Rolle oder einer anderen Zuführung.

Auf diese Weise können sehr effizient Verbindungen 23 zwischen Wänden 21, 22 eines Druckbehälters 10 ausgebildet werden, welche wie bereits erwähnt zur Erhöhung der Druckfestigkeit dienen können. Anschließend kann die bereits gezeigte Wandung 20, welche bislang nur aus Fasern besteht, in einem Matrixmaterial getränkt oder in sonstigerWeise damit imprägniert oder ummantelt werden. Auch die Verwendung vorimprägnierter Fasern ist möglich. Nach entsprechender Aushärtung und gegebenenfalls Einbringung eines Liners 25 ist der Druckbehälter 10 typischerweise gasdicht ausgebildet. Anschließend kann beispielsweise noch ein Ventil eingebracht werden, um ein gesteuertes Befüllen und eine Entnahme von Gas zu ermöglichen. Alternativ kann ein Ventil auch vor oder während des Wickelprozesses mit eingebracht werden, so dass es mit eingewickelt wird.

Fig. 8 zeigt den typischen Aufbau einer Verbindung 23 zwischen der ersten Wand 21 und der zweiten Wand 22 mit jeweiligen Umlenkungen. Wie bereits erwähnt ist dabei an der Unterseite und an der Oberseite jeweils ein Stützelement 40, 45 vorgesehen, welche bereits mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 erläutert wurden. Auf der Unterseite erfolgt die Umlenkung der Verstärkungsfaser 30 an einem tropfenförmigen Stützelement 40. An der Oberseite erfolgt die Umlenkung an einem im Querschnitt halbkreisförmigen weiteres Stützelement 45. An einer jeweiligen Verbindung 23 sind dabei die Abschnitte 31 , 32 der Verstärkungsfaser 30 nicht voneinander unterscheidbar, da sie sehr nah beieinander liegen. Deshalb sind sie in Fig. 8 auch nicht separat dargestellt. Von links kommend wird zunächst ein erster Abschnitt 31 nach unten geführt, und ein zweiter Abschnitt 32 tritt nach Umlenkung an der Unterseite an der oberen, ersten Wand 21 wieder heraus. Dieser zweite Abschnitt 32 wird nach Umlenkung durch das Stützelement 45 wieder nach unten geführt und geht dabei in einen ersten Abschnitt 31 der nächsten Verbindung 23 über. Durch diese Ausführung können mit einer Verstärkungsfaser 30 praktisch beliebig viele Verbindungen 23 hintereinander ausgeführt werden, wobei jeweils nur sehr wenige Verfahrensschritte notwendig sind und entlang einer Reihe zahlreiche Verbindungen 23 parallel und gleichzeitig ausgebildet werden können. Dies erlaubt eine sehr effiziente und schnelle Verfahrensführung, wodurch die Fierstellungskosten für einen Druckbehälter 10 deutlich gesenkt werden können. Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Druckbehälter, die/eine Tuftnadel, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, die mindestens eine Tuftnadel, etc.).

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Bezugszeichenliste

10 Druckbehälter

20 Wandung

21 erste Wand

22 zweite Wand

23 Verbindung 25 Liner

30 Verstärkungsfaser

31 erster Abschnitt

32 zweiter Abschnitt 35 Schlaufe

40 Stützelement

41 gebogener Um lenkungsfläche

42 spitz zulaufender Abschnitt

45 weiteres Stützelement

46 weitere gebogene Um lenkungsfläche

47 ebene Anlagefläche 100 Kern

110 Ecke 120 Durchgang 200 Kern 220 Durchgang 300 Tuftnadel 310 Spitze 320 Öse 350 Halterung R Reihe