Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters und Druckbehälter

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, ins besondere eines Wasserstofftanks für ein Kraftfahrzeug sowie einen derarti gen Druckbehälter.

Wasserstofftanks, die in Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, ver wendet werden, müssen einerseits leicht sein, um das Fahrzeuggewicht nicht unnötig zu erhöhen und andererseits sehr stabil sein, um die notwendigen hohen Drücke zur Speicherung des Wasserstoffs auszuhalten. Zudem dürfen die Tanks im Crashfall des Fahrzeugs nicht kritisch versagen.

Derartige Druckbehälter weisen üblicherweise einen Liner auf, der den Druckbehälter gasdicht auskleidet, sowie eine äußere Hülle, welche die Sta bilität des Druckbehäters gewährleistet. Aus der Druckschrift DE 102017206 521 A1 sind Druckbehälter bekannt, bei denen die äußere Hülle durch eine faserverstärkte Sandwichstruktur gebildet ist. Die faserverstärkte Sandwich struktur umfasst eine erste Faserschicht, die einen zylindrischer Innenbereich umgibt und um eine Längsachse des Zylinderbereichs gewickelt ist und eine zweite Faserschicht, die den Zylinderbereich und die daran angrenzenden Kappenbereiche umgibt und zumindest im Kappenbereich geflochten ist.

Zur Herstellung des Druckbehälters wird gemäß DE 102017206521 A1 zu nächst die erste Faserschicht aufgebracht und ausgehärtet und anschließend die zweite Faserschicht aufgebracht und ausgehärtet. In einer alternativen Verfahrensvariante können die erste und zweite Faserschicht aus trockenen Fasern ausgebildet werden, gemeinsam mit Harz infiltriert und im Anschluss ausgehärtet werden. Eine weitere Variante sieht die Verwendung von pre-im- prägnierten Fasern sowohl für die erste als auch die zweite Faserschicht und das gemeinsame Aushärten beider Faserschichten vor.

Vor diesem Flintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung eine alternative Möglichkeit anzugeben wie ein Druckbehälter hergestellt werden kann. Ins besondere soll der Druckbehälter auf wirtschaftliche besonders günstige Art und Weise hergestellt werden und das Verfahren soll großseriengerecht sein.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und ei nen Druckbehälter nach Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Ausgestal tungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Be schreibung.

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters angegeben, wo bei der Druckbehälter einen Liner und ein den Liner umgebendes faserver stärktes Laminat mit einer esten Faserschicht und einer zweiten Faserschicht aufweist, die in ein Matrixmaterial eingebunden sind, mit den Schritten: a) Bereitstellen des Liners zum Speichern eines Fluids, vorzugsweise Was serstoff, mit einem Zylinderbereich und zwei Kappenbereichen an gegen überliegenden Enden des Zylinderbereichs, b) Umwickeln des Liners an den Kappenbereichen und dem Zylinderbereich mit einem mit dem Matrixmaterial imprägnierten Fasermaterial zur Erzeu gung der ersten Faserschicht, die bereits mit dem Matrixmaterial durchsetzt ist, c) Anordnen der zweiten Faserschicht um die erste Faserschicht herum, wo bei die zweite Faserschicht durch mindestens einen Geflechtschlauch von trockenen Fasern gebildet ist und d) Aushörten bzw. Konsolidieren des Matrixmaterials ohne Zuführung zusätz lichen Matrixmaterials zur Erzeugung des faserverstärkten Laminats.

Mit anderen Worten gesagt wird beim Umwickeln des Liners mit der ersten Faserschicht bereits die erforderliche Menge Matrixmaterial aufgebracht, die für das gesamte faserverstärkte Laminat notwendig ist. Das Fasermaterial für die erste Faserschicht wird dazu mit Matrixmaterial „überladen“. Hierdurch steht ausreichend Matrixmaterial zur Verfügung um auch die nachträglich aufgebrachte zweite Faserschicht ausreichend zu benetzen bzw. zu durch tränken und in das Laminat mit einzubinden. Hierdurch entfällt eine nachträg liche Infiltration der Faserlagen, wodurch die benötigte Anlagentechnik ver einfacht wird und die Herstellung kostengünstig wird, ohne eine Einbuße bei der Stabilität des Druckbehälters hinnehmen zu müssen.

Der Liner dient dazu, das Fluid im Druckbehälter zu speichern. Der Liner ist daher fluiddicht ausgestaltet. Wird der Druckbehälter z.B. als Wasserstoff tank verwendet, so ist der Liner insbesondere nicht permeabel für Wasser stoff. Der Liner ist im Wesentlichen zylinderförmig und weist einen Zylinder bereich auf. Entsprechend dem Zylinderbereich ist die Längsachse des Li ners definiert, welche auch die Längsachse des Druckbehälters darstellt. Die beiden Enden des Zylinderbereichs sind jeweils mit einem Kappenbereich verschlossen. In einem oder beiden Kappenbereichen kann eine Öffnung für einen Anschluss vorgesehen sein. Der Liner ist vorzugsweise einstückig aus gebildet. Der Liner kann beispielsweise aus Kunststoff oder aus Metall aus gebildet sein. In letzterem Fall kann der Liner zur Stabilität des Druckbehäl ters beitragen. Vorzugsweise ist der Liner als thermoplastisches Blasformteil ausgestaltet, wodurch geringe Wandstärken und ein geringes Gewicht reali siert werden können. Den Liner umgibt ein faserverstärktes Laminat, welches die Stabilität des Druckbehälters gewährleistet. Dieses beinhaltet ein Matrixmaterial, in das Faserlagen eingebettet sind. Die Faserlagen weisen Verstärkungsfaser auf, wie z.B. Kohlenstofffasern, Glasfasern und/oder Aramidfasern. Die Faserla gen sind insbesondere aus Endlosfasern ausgebildet. Als Matrixmaterial kann ein duromeres oder thermoplastisches Kunststoffmaterial verwendet werden.

Zur Herstellung des faserverstärkten Laminats wird zunächst eine erste Fa serschicht aufgebracht und im Anschluss wird auf diese erste Faserschicht eine zweite Faserschicht aufgebracht. Hierbei wird die erste Faserschicht ge wickelt und die zweite Faserschicht wird als Flechtwerk ausgebildet. Der Be griff „Faserschicht“ ist nicht auf eine Faserlage beschränkt, ebenso können zwei oder vorzugsweise mehrere Faserlagen übereinander geordnet werden um eine „Faserschicht“ auszubilden.

Das Wickeln der ersten Faserschicht erfolgt mit einem Fasermaterial, das be reits mit Matrixmaterial imprägniert ist. Das Fasermaterial wird dabei bewusst mit Matrixmaterial „überladen“. D.h. dem Fasermaterial ist mehr Matrixmate rial zugegeben, als dies später in der ersten Faserschicht benötigt wird. Viel mehr wird der Anteil an Matrixmaterial derart gewählt, dass er für das ge samte faserverstärkte Laminat ausreichend ist und die zweite Faserschicht aus Geflecht noch mit einbindet. Als mit Matrixmaterial imprägniertes Faser material für das Wickeln der ersten Faserschicht kommen mit duroplastischer Matrix insbesondere nass-imprägnierte Rovings, vorimprägnierte Rovings o- der Prepregs in Frage und mit thermoplastischer Matrix insbesondere faser verstärkte Tapes und Hybridrovings, die neben den Verstärkungsfasern auch thermoplastische Fasern enthalten. Der Faservolumentanteil an thermoplasti schen Fasern wird dabei so eingestellt, dass der Thermoplastanteil als Mat rixmaterial genügt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die erste Faserschicht durch ein Fa serwickeln mit nass-imprägnierten Rovings erzeugt. Flierzu werden die Ro- vings z.B. unmittelbar vor dem Umwickeln des Liners durch ein Matrixbad ge zogen oder auf andere Art und Weise mit flüssigem, duromerem Matrixmate rial benetzt. Die Rovings werden dabei, wie voranstehend beschrieben, ge zielt mit Matrixmaterial überladen, so dass nach Abschluss des Wickelvor gangs bereits die notwendige Menge an Matrixmaterial aufgebracht ist. Das Matrixmaterial von nass-imprägnierten Fasern weist eine eher geringe Visko sität auf, so dass auch das nachfolgend aufgebrachte Geflecht gut durch tränkt und in das Laminat eingebunden wird. Somit ergibt sich auf einfache Art und Weise eine besonders gute Einbindung der zweiten Faserschicht in das Matrixmaterial.

Das Aufwickeln der ersten Faserschicht kann in einer Ausgestaltung durch Faserwickeln oder Tape-Wickeln erfolgen. Das Faserwickeln ist eine Ablage technik, bei der Endlosfaserstränge (Rovings) eng nebeneinanderliegend um einen Kern - hier den Liner - gewickelt werden. Im Zylinderbereich werden die Rovings vorzugsweise in einem Winkel belastungsgerecht zur Längs achse des Druckbehälters bzw. Liners gewickelt. In den Kappenbereichen kann die Umwicklung auch unter einem Winkel schräg zur Längsachse erfol gen, wodurch Kreuzlagen entstehen und ein Abrutschen der Fasern von den Kappen vermieden wird. Beim Tape-Wickeln wird anstelle von Rovings ein unidirektional faserverstärktes Band eingesetzt, das nebeneinander oder teil weise überlappend um den Kern gewickelt wird.

In einer alternativen Ausgestaltung wird die erste Faserschicht dadurch er zeugt, dass der Liner mit einem Prepreg umwickelt wird. Bei einem Prepreg handelt es sich um ein plattenförmiges vorimprägniertes Halbzeug, Hierbei liegen Endlosfasern in einer oder mehreren Lagen bereits eingebettet in ein duromeres Matrixmaterial vor und das Matrixmaterial ist in einem teilausge- härteten Zustand. Der Prepreg-Zuschnitt kann z.B. über die Länge des Druckbehälters reichen. Unter Verwendung eines Prepregs kann die erste Faserschicht besonders zeitsparend um den Liner gewickelt werden. Auch bei Verwendung eines Prepregs werden die Fasern im Zylinderbereich in ei nem Winkel belastungsgerecht zur Längsachse ausgerichtet.

Da das notwendige Matrixmaterial bereits mit der ersten Faserschicht aufge bracht wurde, wird die nachfolgende zweite Faserschicht ausschließlich durch trockene Fasern ausgebildet. Als „trockene Fasern“ werden hierbei Verstärkungsfasern bezeichnet, die nicht mit einem Matrixmaterial impräg niert sind.

Die zweite Faserschicht wird durch ein Geflecht gebildet. Die zweite Faser schicht erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte erste Faserschicht, also über beide Kappenbereiche und den Zylinderbereich des Liners.

In einer Ausgestaltung wird die zweite Faserschicht dadurch ausgebildet, dass der Liner sowie die erste Faserschicht mit trockenen Fasern umflochten werden. Die Flechtfasern bilden einen Geflechtschlauch, der außen um die erste Faserschicht herum ausgebildet wird. Der Geflechtschlauch wird in die ser Ausgestaltung während des Flechtprozesses direkt um den Liner und die erste Faserschicht herum erzeugt und auf dem zu umflechtenden Halbzeug abgelegt. Hierzu kann der mit der ersten Faserschicht bestückte Liner z.B. durch eine Radialflechtmaschine geführt werden. Bei dem Geflechtschlauch kann es sich beispielsweise um ein biaxiales Geflecht oder um ein triaxiales Geflecht handeln, bei dem noch zusätzliche Stehfäden parallel zur Längs achse des Druckbehälters mitgeführt werden. Durch das Aufflechten der zweiten Faserschicht ist es möglich, den Flechtwinkel während des Flecht vorgangs zu verändern und dadurch z.B. an den Kappenbereichen gezielt ein anderes Geflecht als im Zylinderbereich auszubilden. Es können mehrere Geflechtschläuche übereinander aufgebracht werden.

In einer alternativen Ausgestaltung wird die zweite Faserschicht durch Über ziehen eines oder mehrerer vorgefertigter Flechtschläuche aufgebracht. Der Geflechtschlauch wird z.B. von einer Seite über den Liner und die erste Fa serschicht gezogen oder abgerollt, bis er sich von einem Kappenbereich über den Zylinderbereich bis zum anderen Kappenbereich erstreckt. Durch end seitiges Anziehen der Flechtfäden kann der Geflechtschlauch an die Form des Kappenbereichs angepasst werden. Da für das Geflecht trockenen Fa sern verwendet werden, kann ein derartiger Geflechtschlauch problemlos vorgefertigt und gelagert werden, wodurch die Produktionszeit des Druckbe hälters reduziert werden kann.

Die Aushärtung des Matrixmaterials kann in Schritt d) vorteilhafter Weise in einem Ofenprozess erfolgt. Eine derartige Bauteilaushärtung ist wesentlich preiswerter und schneller als eine Aushärtung in einem temperaturgeführten Werkzeug wie z.B. einem RTM-Werkzeug, wodurch die Herstellungskosten weiter gesenkt werden können.

In einer alternativen Ausgestaltung kann die Aushärtung in Schritt d) in einem temperierten Werkzeug erfolgen. Der mit den Faserschichten umwickelte Li ner wird hierzu z.B. in ein Presswerkzeug gegeben, das Werkzeug wird ge schlossen und der Druckbehälter wird dort unter erhöhter Temperatur und Druck verpresst und das Matrixmaterial ausgehärtet.

Zum Formerhalt kann der Liner während der Herstellung des Druckbehälters mit einem Innendruck beaufschlagt sein, z.B. kann der Liner mit einem Fluid, z.B. Luft oder Wasser gefüllt und unter Druck gesetzt sein. Bevorzugt ist das verwendete Matrixsystem ein duroplastisches Matrixsys tem. Grundsätzlich lassen sich in dem Verfahren auch thermoplastische Mat rixsysteme einsetzen. Besonders geeignet wäre hierzu z.B. das Wickeln von thermoplastischen Fasertapes. Zum Aufbringen der ersten und zweiten Fa serschicht wird das Matrixmaterial erhitzt und anschließend in Schritt d) kon solidiert. Bei Verwendung eines thermoplastischen Matrixmaterials kann ein nachfolgender Ofenprozess oder die Verwendung eines temperierten Werk zeugs ggf. entfallen, wodurch die Fierstellkosten reduziert werden.

Weiterhin wird ein Druckbehälter angegeben mit einem Liner zum Speichern eines Fluids mit einem Zylinderbereich und zwei Kappenbereichen an gegen überliegenden Enden des Zylinderbereichs und einem den Liner umgeben den faserverstärkten Laminat mit einer ersten Faserschicht und einer zweiten Faserschicht, die in ein gemeinsames Matrixmaterial eingebunden sind. Die erste Faserschicht ist an den Kappenbereichen und an dem Zylinderbereich um den Liner gewickelt und die zweite Faserschicht ist aus mindestens ei nem Geflechtschlauch gebildet, der um die erste Faserschicht herum ange ordnet ist.

Bei dem Druckbehälter kann es sich insbesondere um einen Wasserstofftank für ein Kraftfahrzeug handeln. Der voranstehend beschriebene Druckbehälter zeichnet sich durch eine leichte und dennoch hochstabile Bauweise aus.

Ein derartiger Druckbehälter lässt sich mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren auf besonders wirtschaftliche Weise hersteilen.

Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Druckbehälter be schrieben sind, gelten auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeich nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungs wesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Figur 1 einen Abschnitt eines beispielhaften Druckbehälter in einer

Längsschnittansicht,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Liners und

Figur 3 eine schematische Darstellung des Druckbehälters zu ver schiedenen Zeitpunkten des Verfahrens in einem Quer schnitt.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen beispielhaften Druckbehälter 1 in Form eines Wasserstofftanks für ein Kraftfahrzeug. In Figur 1 ist nur die linke Hälfte des Druckbehälters 1 dargestellt. Der Druckbehälter 1 kann ins besondere rotationssymetrisch ausgebildet sein.

Der Druckbehälter weist einen Liner 10 auf, siehe Figur 2. Der Liner 10 weist einen Zylinderbereich 12 und zwei Kappenbereiche 14A, 14B an den Enden des Zylinderbereichs 12 auf. In Figur 1 ist nur ein Kappenbereich 14A, sowie ein Teil des Zylinderbereichs 12 dargestellt. Im Kappenbereich 14A kann weiterhin ein Anschlussstück 20 für die Montage eines Ventils, ein sogenann ter „Boss“ vorgesehen sein. Hierbei kann es sich z.B. um ein Metallbauteil mit Gewinde handeln, das auf den Kappenbereich 14A des Liners 10 aufge setzt wird. Am anderen Ende des Zylinderbereichs 12 weist der Liner 10 ei nen zweiten, in Figur 1 nicht dargestellten Kappenbereich 14B auf, in dem z.B. ein Verschluss oder eine weitere Anschlussmöglichkeit vorgesehen sein kann.

Außen um den Liner 10 herum ist ein faserverstärktes Laminat 30 ausgebil det. Das faserverstärkte Laminat weist eine erste Faserschicht 32 und eine zweite Faserschicht 34 auf. Die erste Faserschicht 32 ist um den Liner 10 herum gewickelt, wobei eine oder mehrere Lagen von Fasern übereinander die erste Faserschicht 32 bilden können. Außen auf der ersten Faserschicht 32 ist eine zweite Faserschicht 34 ausgebildet. Die zweite Faserschicht 34 ist als Geflecht ausgebildet und kann durch eine oder mehr Geflechtlagen gebil det sein. Die erste und zweite Faserschicht 32, 34 erstrecken sich jeweils über den Zylinderbereich und die Kappenbereiche des Liners.

Beide Faserschichten sind in einem gemeinsamen Matrixwerkstoff 36 einge bettet.

Figur 3 zeigt die Herstellung des Druckbehälters 1. Zunächst wird in Schritt A der Liner 10 bereitgestellt. Bei dem Liner 10 handelt es sich vorzugsweise um ein thermoplastisches Blasformelement. In Figur 3 nicht dargestellte An schlussstücke oder Verschlüsse können in den Liner 10 integriert sein oder auf diesen aufgesetzt werden. In Schritt B wird die erste Faserschicht 32 aufgebracht. Hierzu werden meh rere Schichten von mit Harz überladenen Fasern um den Liner 10 herumge wickelt, so dass die erste Faserschicht 32 bereits mit dem Matrixmaterial 36 durchsetzt ist. Die erste Faserschicht 32 wird sowohl auf die Kappenbereiche 14A, 14B als auch auf den Zylinderbereich 12 aufgewickelt. Vorzugsweise erfolgt das Wickeln im Nasswickelverfahren.

In Schritt C wird um die erste Faserschicht 32 herum die zweite Faserschicht 34 angeordnet. Die zweite Faserschicht 34 wird als trockenes Geflecht auf gebracht. Hierzu kann das Geflecht als vorgeflochtener Schlauch bereitge stellt und über den Liner 10 und die erste Faserschicht 34 gezogen werden. Alternativ wird das Geflecht aus trockenen Fasern direkt auf die erste Faser schicht 34 aufgef lochten. Hierbei ist es bevorzugt, wenn der Flechtwinkel im Zylinderbereich 12 konstant ist. Im Kappenbereich 14A, 14B kann der Flecht winkel variieren und ist vorzugsweise geringer als im Zylinderbereich 12.

In Schritt D erfolgt das Aushärten des Matrixwerkstoffes 36 zur Bildung des faserverstärkten Laminats. Indem für die erste Faserschicht 32 mit Harz überladene Fasern verwendet werden, wird bereits im Wickelverfahren ge nug Matrixwerkstoff 36 aufgebracht um auch das Geflecht 34 mit zu infiltrie ren. Es wird daher weder in Schritt C, noch in Schritt D weiteres Matrixmate rial 36 zugegeben. Die Aushärtung des Matrixmaterials 36 erfolgt bei erhöh ter Temperatur, beispielsweise in einem Ofenprozess. Durch die erhöhte Temperatur sinkt die Viskosität des Matrixwerkstoffs 36 und dieser durch tränkt auch das aufgebrachte Geflecht 34, dargestellt durch die Pfeile in Fi gur 3. Nach der Aushärtung sind sowohl die erste als auch die zweite Faser schicht in das Matrixmaterial 36 eingebunden. Alternativ kann der Schichtauf bau zur Aushärtung auch in ein (nicht dargestelltes) Presswerkzeug gegeben werden, wo das Werkstück zusätzlich von außen mit einem Außendruck ver sehen und gepresst wird. Der Liner kann währenddessen mit einem Fluid be fallt und zum Formerhalt unter einen Innendruck P gesetzt werden.

Alternativ zu dem beschriebenen Verfahren kann auch ein thermoplastisches Matrixmaterial 36 verwendet werden, wozu die erste Faserschicht 32 bei spielsweise als thermoplastisches Fasertape um den Liner 10 gewickelt wer den kann. Zur Ablage auf dem Liner 10 und zur nachfolgenden Infiltration des Geflechts 34 kann das thermoplastische Matrixmaterial beispielsweise erwärmt werden. Die anschließende Konsolidierung kann mit oder ohne Presswerkzeug erfolgen.

Bezugszeichenliste

1 Druckbehälter

10 Liner

12 Zylinderbereich

14A, 14B Kappenbereiche 20 Anschlussstück 30 faserverstärktes Laminat 32 erste Faserschicht 34 zweite Faserschicht 36 Matrixmaterial P Innendruck

A, B, C, D Verfahrensschritte