Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten

Druckbehälters mit faserverstärkten Polkappen sowie einen entsprechenden Druckbehälter mit diesen Polkappen.

Hintergrund der Erfindung

Der Markt für faserverstärkte Druckbehälter aus Faserverbundmaterial wächst kontinuierlich. Die zunehmende Förderung von Erdgas und Fracking-Gas macht speziell in Ländern ohne entsprechendes Pipelinenetz eine Speicherung in

Druckbehältern erforderlich. Hinzu kommt der Automobilsektor, der stark an der Entwicklung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen arbeitet, bei denen der Brennstoff in Form von gasförmigem Wasserstoff unter hohem Druck in Druckbehältern gespeichert werden soll. Für den Transport der Druckbehälter sind leichte

Druckbehälter gewünscht, weil ein Transport von Druckbehältern mit hohen Behältergewichten unnötig viel Energie verbraucht und daher zu hohe

Transportkosten verursacht. Gegenwärtig benutzte Druckbehälter besitzen einen zylindrischen Mittelteil, auf dem sich beidseitig Polkappen zum Verschluss des Mittelteils befinden und werden beispielsweise mit einem Faser-Wickelverfahren hergestellt. Dabei wird ein Liner (Innenbehälter für den Druckbehälter) verwendet, der einerseits als Wickelkern fungiert und andererseits auch die Dichtigkeit des Behälters garantiert. Dieser Liner wird dann zur Herstellung des Druckbehälters zur Verstärkung mit Faserverbundmaterial überwickelt, damit der daraus resultierende Druckbehälter seine Stabilität erhält. Bei den Druckbehältern Type 3 wird ein metallischer Liner aus z.B. Aluminium oder Stahl eingesetzt, bei Type 4 Druckbehälter ist es ein Liner aus Kunststoff. Die Außenschicht umfasst dabei sowohl Umfangslagen als auch sogenannte Helixlagen, um eine Druckfestigkeit in radialer und axialer Richtung bereitzustellen. In den Umfangslagen besitzen die Fasern eine

tangentiale Faserrichtung, um eine Druckfestigkeit in Umfangsrichtung im zylindrischen Teil des Druckbehälters bereitzustellen. Die Helixlagen stellen die axiale Druckfestigkeit des Druckbehälters im Mittelteil dar, umspannen aber auch die Polkappen zur Aufnahme des Innendrucks in diesem Bereich.

Die Faserumwicklung mittels Helixlagen zur Verstärkung der Polkappen des Druckbehälters benötigt dabei mehr Fasermaterial, als zur axialen Verstärkung des zylindrischen Mittelteils erforderlich wäre. Mit einem kontinuierlichen

Wickelprozess ist allerdings verbunden, daß die Helixlagen durchgängig über die Polkappen als auch über den Mittelteil abgelegt werden, wodurch viel

Fasermaterial im Mittelteil verwendet werden muss.

Alternativ kann die Polkappe auch durch Auflegen von vorimprägnierten

Faserabschnitten (sogenannte Prepregs) verstärkt werden, die nachträglich mit einer geringen Schichtdicke an Helixlagen über den gesamten Druckbehälter überwickelt werden. Dieser Prozess ist allerdings kosten- und zeitintensive und daher ebenfalls nachteilig.

Es wäre daher wünschenswert, wenn Druckbehälter und ein entsprechendes Herstellungsverfahren zur Verfügung stehen würden, mit dem die Polkappen eines Druckbehälters effektiv sowie kosten- und zeitgünstig mit möglichst geringen Materialeinsatz von Faserverbundmaterial verstärkt werden könnten.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Druckbehälter und ein

entsprechendes Verfahren zur Herstellung dieses Druckbehälters zur Verfügung zu stellen, mit dem die Polkappen des Druckbehälters effektiv sowie kosten- und zeitgünstig mit möglichst geringen Materialeinsatz von Faserverbundmaterial verstärkt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Druckbehälters mit einem zylindrischen Mitteilabschnitt und den Mittelabschnitt beidseitig verschließenden Polkappen umfassend eine Liner-Unterlage und ein auf die Liner-Unterlage als Druckbehälterverstärkungsschicht aufgebrachtes Faserverbundmaterial, umfassend die Schritte Bereitstellen eines ersten Wickelkörpers umfassend mindestens ein einer Form der Liner-Unterlage der Polkappen entsprechendes kuppeiförmiges Ende und eine an das Ende angrenzende zylindrische Mittelteilauflage; Aufbringen des Faserverbundmaterials mittels eines Wickelprozesses zumindest auf das Ende und die Mittelteilauflage des ersten Wickelkörpers;

Anwenden eines geeigneten Zwischenaushärtungsprozesses zur

Formstabilisierung des gewickelten Faserverbundmaterials; - Durchtrennen zumindest des Faserverbundmaterials zwischen Ende und Mittelteilauflage, beispielsweise am Übergang von dem Ende zur Mittelteilauflage, mittels eines geeigneten Trennprozesses zur Herstellung einer

Polkappenverstärkungsschicht;

optionales Bearbeiten der Randbereiche der Schnittflächen zur

Vergrößerung der Kontaktflächen für die spätere Überwicklung und entsprechender Formgebung der Kontaktflächen zur spannungsgerechten Lastübertragung zwischen der Polkappenverstärkung und der späteren

Überwicklung bei der Fertigung des späteren Druckbehälters;

Ablösen der Polkappenverstärkungsschicht vom ersten Wickelkörper und Aufsetzen der abgelösten Polkappenverstärkungsschicht auf die jeweilige Liner-Unterlage der Polkappe des späteren Druckbehälters;

- Aufbringen des Faserverbundmaterials mittels eines Wickelprozesses auf den mit den separat gefertigten Polkappenverstärkungsschichten belegten Liner; und

Vernetzen der Polkappenverstärkungsschicht und des weiteren

Faserverbundmaterials.

Das Faserverbundmaterial besteht im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten, hier aus Fasern, eingebettet in einem Matrixmaterial, das den festen Verbund zwischen den Fasern herstellt. Das Faserverbundmaterial kann dabei aus einer Faser oder aus mehreren Fasern gewickelt werden, wobei die Faser(n) in Kontakt zueinander eng nebeneinander gewickelt werden. Dadurch entsteht eine

Faserschicht, auf die die Fasern in weiteren Faserlagen gewickelt werden, bis das Faserverbundmaterial die gewünschte Dicke besitzt und eine entsprechende Verstärkungsschicht mit dieser Dicke darstellt. In einer Ausführungsform umfasst die Druckbehälterverstärkungsschicht erste und weitere Fasern, beispielsweise zweite Fasern, in mehrere Faserschichten. Durch den Verbund erhält das

Faserverbundmaterial höherwertige Eigenschaften, wie beispielsweise eine hohe Festigkeit als jede der beiden einzelnen beteiligten Komponenten liefern könnte. Die Verstärkungswirkung der Fasern in Faserrichtung tritt ein, wenn das

Elastizitätsmodul der Faser in Längsrichtung größer ist als das Elastizitätsmodul des Matrixmaterials, wenn die Bruchdehnung des Matrixmaterials größer ist als die Bruchdehnung der Fasern und wenn die Bruchfestigkeit der Fasern größer ist als die Bruchfestigkeit des Matrixmaterials. Als Fasern können Fasern aller Art, beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Stahlfasern,

Naturfasern oder synthetische Fasern, verwendet werden. Als Matrixmaterialien können beispielsweise Duromere, Elastomere oder Thermoplaste verwendet werden. Die Materialeigenschaften der Fasern und Matrixmaterialien sind dem Fachmann bekannt, so dass der Fachmann eine geeignete Kombination aus Fasern und Matrixmaterialien zur Herstellung des Faserverbundmaterials für die jeweilige Anwendung auswählen kann. Hierbei können einzelne Faserlagen im Faserverbundbereich eine einzelne Faser oder mehrere gleiche oder

unterschiedliche Fasern umfassen Zylinderförmige Druckbehälter umfassen einen zylindrischen Teil, hier als

Mittelabschnitt bezeichnet, der eine typischerweise kreisrunde Querschnittsfläche senkrecht zur Zylinderachse besitzt. Damit Gas unter Druck in diesem

Druckbehälter gespeichert werden kann, sind die Zylinderflächen des

Mittelabschnitts mit kuppeiförmigen Deckelflächen, den Polkappen, verschlossen. Diese Geometriebetrachtungen gelten gleichermaßen für Druckbehälter aus einem Innenbehälter, dem sogenannten Liner, und einer über den Innenbehälter (Liner) gewickelten Außenschicht, die Druckbehälterverstärkungsschicht, zur Verstärkung des Innenbehälters (Liners), damit der daraus resultierende

Druckbehälter seine Stabilität erhält. Bei den Druckbehältern Type 3 wird ein metallischer Liner aus beispielsweise. Aluminium oder Stahl eingesetzt, bei Type 4 Druckbehälter ist es ein Liner aus Kunststoff. Die Druckbehälterverstärkungs- schicht wird insbesondere bei Kunststofflinern zur Bereitstellung der notwendigen Stabilität des Druckbehälters verwendet. Da der Innenbehälter als Unterlage für die Druckbehälterverstärkungsschicht dient, wird dieser im Folgenden auch als Liner-Unterlage bezeichnet. Solche Behälter besitzen einerseits ein sehr geringes Gewicht, was beispielsweise für Anwendungen in Transportmitteln wichtig ist, und andererseits können Gase wie beispielsweise Wasserstoff unter hohem Druck verlustarm gespeichert werden, da geeignete Kunststoffe eine sehr geringe Wasserstoffpermeabilität besitzen und die benötigte Festigkeit durch die

Druckbehälterverstärkungsschicht aus Faserverbundmaterial bereitgestellt wird. Der erfindungsgemäße Druckbehälter umfasst somit eine Liner-Unterlage als Innenbehälter mit kuppelartigen Deckelflächen, den Polkappen, vorzugsweise mit einer von einer Halbkugel abweichenden Form, die im Randbereich angrenzend an den zylindrischen Mittelteil des Innenbehälters eine stärkere Krümmung gegenüber einer Halbkugeloberfläche aufweist, während der Zentralbereich der Polkappe eine geringere Krümmung gegenüber einer Halbkugeloberfläche aufweist. Eine solche besonders geeignete Polkappe besitzt die Form eines Isotensoid. Ein Isotensoid bezeichnet dabei eine Form, die in einer darauf gewickelten Polkappenverstärkungsschicht aus einem Faserverbundmaterial eine konstante Spannung in den Fasern in allen Punkten des Faserverlaufs bewirkt.

Um die Polkappe mit einem Faserverbundmaterial als Polkappenverstärkungs- schicht zusätzlich zu verstärken, wird die Polkappenverstärkungsschicht separat vom Druckbehälter und Liner-Unterlage vorgefertigt. Der dazu verwendete erste Wickelkörper ermöglicht es, die Polkappenverstärkungsschicht mit den

gewünschten mechanischen Eigenschaften mit geringem Materialeinsatz herzustellen, da hier im Wesentlichen nur die Enden des Wickelkörpers überwickelt werden und die Mittelteilauflage des ersten Wickelkörpers (und gegebenenfalls ein weiteres Ende auf der anderen Seite der Mittelteilauflage) lediglich der Zurückführung des Fasermaterials zur weiteren Überwicklung des Endes dient. Der Begriff„erster Wickelkörper" bezeichnet hierbei den Wickelkörper, auf dem die Polkappenverstärkungsschicht hergestellt wird. Der zweite Wickelkörper bezeichnet die Liner-Unterlage im Mittelabschnitt mit aufgesetzten

Polkappenverstärkungsschichten im Polkappenbereich. Die danach auf die Liner-Unterlage des Druckbehälters aufzusetzende

Polkappenverstärkungsschicht ist nur soweit vorgefertigt, dass ein formstabiles Ablösen vom ersten Wickelkörper ermöglicht wird. Die Vernetzungsfähigkeit der Polkappenverstärkungsschicht kann nach dem Zwischenhärten weiterbestehen, so dass eine stabile Vernetzung mit dem später aufgebrachten

Faserverbundmaterial des Druckbehälters ermöglicht wird, um die endgültige Druckbehälterverstärkungsschicht für den gesamten Druckbehälter herzustellen. Ebenso kann die Polkappenverstärkungsschicht bei Ihrer Herstellung mit einem strukturgebenden Material bedeckt werden, das nach dem

Zwischenaushärtungsprozess wieder entfernt wird, um eine gute Anbindung mit dem später aufgebrachten Faserverbundmaterial des Druckbehälters zu ermöglichen.

Der Zwischenaushärtungsprozess wird dazu mit einer für den Matrixwerkstoff geeigneten Temperatur und Prozessdauer durchgeführt. Der

Zwischenaushärtungsprozess kann so geführt werden, dass das Matrixmaterial anschließend chemisch weiterhin reaktiv bleibt.

Die auf dem ersten Wickelkörper hergestellte Polkappenverstärkungsschicht wird nach dem Zwischenaushärteprozess getrennt, um sie vom ersten Wickelkörper entnehmen zu können. Hierbei kann die Wanddicke der

Polkappenverstärkungsschicht zur Schnittebene hin durch mechanische

Bearbeitung reduziert werden, um eine größere Kontaktfläche der Schnittflache zum später aufzubringenden Verstärkungsmaterial zu ermöglichen, oder auch die Kontur der Oberfläche des später zu bewickelnden Liners in geeigneter Weise zu beeinflussen, so dass Lastspitzen vermieden werden.

Das Durchtrennen kann dabei mit jeder für die Durchtrennung von

Faserverbundmaterial geeigneten Technik, beispielweise mittels Sägen, Drehen oder Wasserstrahlschneiden, durchgeführt werden. Hierbei kann lediglich das gewickelte Faserverbundmaterial auf dem Wickelkörper durchtrennt werden, um den Wickelkörper danach wiederverwenden zu können. Alternative kann aber auch der gesamte Wickelkörper mit darauf gewickeltem Faserverbundmaterial durchtrennt werden, um danach einfach die so hergestellte

Polkappenverstärkungsschicht vom Überrest des Wickelkörpers zu lösen. Eine eventuell noch vorhandene Trennkante zwischen der

Polkappenverstärkungsschicht und der später aufgebrachten Verstärkungsschicht wird durch Matrixmaterial oder Faserverbundmaterial gefüllt und durch die endgültige Vernetzung der Matrixmaterialien beider Verstärkungsschichten beseitigt, so dass eine gemeinsame Druckbehälterverstärkungsschicht entsteht. Der endgültige Vernetzungsprozess wird dabei mit für die Matrix geeigneten Parametern durchgeführt. Durch die separate Fertigung der

Polkappenverstärkungsschicht kann der ideale Faserverlauf zur Verstärkung der Polkappen beim Wickelprozess der Polkappenverstärkungsschicht durchgeführt werden.

Durch die Bereitstellung der Polkappenverstärkung können die später

aufgebrachten Helixlagen der Faserverbundschicht im Mittelbereich dünner ausfallen, als die dafür ansonsten auf den Druckbehälter hätten gewickelt werden müssen.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit ein Herstellungsverfahren für Druckbehälter zur Verfügung, mit dem die Polkappen des Druckbehälters effektiv, kosten- und zeitgünstig mit möglichst geringen Materialeinsatz an

Faserverbundmaterial verstärkt werden können.

In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Aufbringen des

Faserverbundmaterials auf den ersten Wickelkörper so durchgeführt, dass die Polkappenverstärkungsschicht erste Faserlagen mit einer ersten Wickelrichtung von Fasern des Fasermaterials kleiner 20 Grad beispielsweise bis hin zu den

Boss tangierend und/oder zweite Faserlagen mit einer zweiten Wickelrichtung der Fasern zwischen 20 und 80 Grad, vorzugsweise 65 - 75 Grad, jeweils zur

Zylinderachse der Mittelteilauflage umfasst. Hierbei entspricht die Zylinderachse des Wickelkörpers der Zylinderachse des späteren Druckbehälters. Die

Faserrichtungen in den ersten Faserlagen bewirken eine gute Verstärkung der Polkappenverstärkungsschicht im Mittelbereich der Polkappen, also um die Zylinderachse herum. Die Faserrichtungen in der zweiten Faserlage bewirken eine gute Verstärkung der Polkappenverstärkungsschicht in den Randbereichen der Polkappe, die an den Mittelabschnitt des Druckbehälters angrenzen. Je nach Form und Druckbedingungen innerhalb des Druckbehälters kann die

Polkappenverstärkungsschicht nur aus ersten oder zweiten Faserlagen bestehen oder einer Kombination aus ersten und zweiten Faserlagen, die beispielsweise in einer abwechselnden Schichtfolge in der Polkappenverstärkungsschicht angeordnet sein können.

In einer Ausführungsform werden dabei die ersten Faserlagen vollflächig über die Enden des ersten Wickelkörpers aufgebracht, um eine geschlossene

Polkappenverstärkungsschicht bereitzustellen, die am Randbereich der Polkappe gut mit der Mittelabschnittsverstärkungsschicht vernetzt werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform werden die zweiten Faserlagen lediglich in einem oder mehreren begrenzten Bereichen über die Enden des ersten

Wickelkörpers aufgebracht. Vorzugsweise überdeckt dabei zumindest einer der begrenzten Bereiche die Mittelauflage und einen an die Mittelteilauflage angrenzenden Randbereich der Enden. Die Überdeckung der Mittelteilauflage ist für ein kontinuierliches Wickelverfahren notwendig. Nach Durchtrennen der Faserverbundschicht sind die überdeckten Bereiche somit im Randbereich der Polkappe angeordnet, wo der Faserverlauf der zweiten Faserlagen eine optimale Verstärkung bewirkt.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Schritt des Aufbringens des Fasermaterials die nachfolgenden Schritte:

- Aufbringen ein oder mehrerer erster Faserlagen auf den ersten

Wickelkörper;

Aufbringen ein oder mehrerer zweiter Faserlagen auf die ersten Faserlagen; vorzugsweise Überwickeln der vorangegangenen ersten und/oder zweiten Faserlagen mit ein oder mehreren weiteren ersten Faserlagen.

Diese Schichtfolge stellt sicher, dass sowohl der zentrale Bereich der Polkappen in deren Mitte als auch der Randbereich angrenzend an den Mittelabschnitt des Druckbehälters mit einem geringen Einsatz an Faserverbundmaterial sehr gut verstärkt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist auf beiden Seiten der Mittelteilauflage jeweils eines der Enden mit einer Form entsprechend der Liner- Unterlage der Polkappen angeordnet. Die die beiden Enden miteinander verbindende zylindrische Mittelteilauflage des Wickelkörpers besitzt eine Länge entlang einer Zylinderachse der Mittelteilauflage, die kleiner als die Höhe der kuppeiförmigen Enden entlang der Zylinderachse ist. Somit entsteht nach

Durchtrennen des gewickelten Faserverbundmaterials als

Polkappenverstärkungsschicht zur Ablösung vom Wickelkörper wenig Verschnitt an Faserverbundmaterial auf der verbleibenden Mittelteilauflage. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Länge LW eine Größenordnung kleiner als die Höhe HP und der Wickelprozess zum Aufbringen des Faserverbundmaterials erfolgt über beide Enden hinweg. Hierdurch kann gegebenenfalls ein Verschnitt vermieden werden, da die Länge der Mittelteilauflage gegebenenfalls gerade die Schnittbreite beim Durchtrennen und eventuellen Bearbeiten mit einem

geeigneten Konturverlauf zur besseren Kraftübertragung zur weiter

aufzubringenden Faserverbundschicht bei der Herstellung des Druckbehälters entspricht. In einer weiteren Ausführungsform ist daher die Länge der

Mittelteilauflage so angepasst, dass der Schritt des Durchtrennens des

Faserverbundmaterials zur Herstellung zweier separater

Polkappenverstärkungsschichten führt, ohne dabei Verschnitt zu produzieren.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses den

zusätzlichen Schritt eines mechanischen Abtragens von Faserverbundmaterial über dem Mittelauflageteil und in den daran angrenzenden Bereichen über dem oder den Enden des ersten Wickelkörpers, der zwischen dem Anwenden des Zwischenhärteprozesses und dem Durchtrennen zumindest des

Faserverbundmaterials ausgeführt wird, wobei die spätere

Polkappenverstärkungsschicht eine Außenschicht erhält, die in den Bereichen mit Abtragung zumindest zum Teil parallel zur Zylinderachse verläuft. Durch das mechanische Abtragen wird der entsprechende Bereich der späteren

Polkappenverstärkungsschicht bereits für ein Überwickeln mit

Faserverbundmaterial der Mittelabschnittsverstärkungsschicht vorbereitet. Die Bereiche, die durch das Abtragen parallel zur Zylinderachse gemacht wurden, können ohne die Gefahr eines Verrutschens des übergewickelten

Faserverbundmaterial überwickelt werden. Die Faserrichtung des

Faserverbundmaterials der Mittelabschnittsverstärkungsschicht, das über die abgetragenen Bereiche gewickelt wird, besitzt eine im Wesentlichen tangentiale Ausrichtung, also einen Faserwinkel mit mehr als 80 Grad zur Zylinderachse des Druckbehälters. Sie stellt somit eine sehr gute Verstärkungsschicht für die

Randbereiche der Polkappe dar. In diesen Fällen braucht die

Polkappenverstärkungsschicht nicht selber zweite Faserlagen im Randbereich der Polkappe angrenzend an den Mittelabschnitt des Druckbehälters umfassen.

In einer alternativen Ausführungsform umfasst das Verfahren den zusätzlichen Schritt eines mechanischen Abtragens von Faserverbundmaterial über dem Mittelauflageteil und in den daran angrenzenden Bereichen über dem oder den Enden des ersten Wickelkörpers, der zwischen dem Anwenden des

Zwischenhärteprozesses und dem Durchtrennen zumindest des

Faserverbundmaterials ausgeführt wird, wobei die spätere

Polkappenverstärkungsschicht eine Außenschicht erhält, die in den Bereichen mit Abtragung zumindest zum Teil unter einem Winkel größer 0 Grad, also

beispielsweise schräg oder auch senkrecht, zur Zylinderachse verläuft.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Überwickelns der Polkappenverstärkungsschicht in Bereichen der

Polkappenverstärkungsschicht angrenzend an den Mittelabschnitt, die ein rutschsicheres Überwickeln mit einer Faserrichtung von mehr als 80 Grad zur Zylinderachse des Mittelabschnitts zulassen.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den weiteren Schritt des Überwickelns der Polkappenverstärkungsschicht und des Mittelabschnitts mit weiterem Faserverbundmaterial. Hier können alle Faserwinkel zur Geltung kommen, niedrige, die die Polkappenverstärkungsschicht vollflächig ähnlich der ersten Faserlage belegen, höhere Faserwinkel, die ähnlich der zweiten Faserlage die Polkappenverstärkungsschicht nicht vollflächig belegen sowie Umfangslagen größer 80 Grad zur Zylinderachse des Mittelabschnitts, die im Mittelteil und dem begrenzten Bereich der Polkappenverstärkungsschicht abgelegt werden.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die Liner-Unterlage am Übergang von Mittelabschnitt zur Polkappe einen Absatz auf, der einen Anschlag für die aufzusetzende Polkappenverstärkungsschicht bildet und das Aufsetzen erfolgt bis zum Anschlag an den Absatz. Die Polkappenverstärkungsschicht ist damit leicht auf die Liner-Unterlage stabil und ohne die Gefahr eines Verrutschens aufzusetzen.

Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Druckbehälter mit einem zylindrischen Mitteilabschnitt und den Mittelabschnitt beidseitig verschließenden Polkappen umfassend eine Liner-Unterlage und ein auf die Liner-Unterlage als

Druckbehälterverstärkungsschicht aufgebrachtes Faserverbundmaterial, wobei die Polkappenverstärkungsschicht hergestellt als separates Faserverbundmaterial auf die Liner-Unterlage aufgesetzt ist und die Polkappenverstärkungsschicht eine Trennkante zugewandt zum Mittelabschnitt des Druckbehälters aufweist, an der die Polkappenverstärkungsschicht zur Bildung der

Druckbehälterverstärkungsschicht mit dem anderen Faserverbundmaterial des Mittelabschnitts des Druckbehälters, das im mechanischen Kontakt zur

Polkappenverstärkungsschicht steht, vernetzt ist. Die Trennkante entspricht der Schneidkante, entlang der das Faserverbundmaterial auf dem Wickelkörper durchtrennt wurde. Die Trennkante steht dabei entweder senkrecht oder schräg zur Zylinderachse des Mittelabschnitts des Druckbehälters, um eine gute

Vernetzung der Polkappenverstärkungsschicht mit der

Mittelabschnittsverstärkungsschicht zu erreichen. Gewisse Lücken zwischen den Verstärkungsschichten könnten gegebenenfalls nachträglich mit Matrixmaterial aufgefüllt werden, um eine vollständige Vernetzung an der Trennkante zu gewährleisten.

In einer Ausführungsform umfasst die Polkappenverstärkungsschicht erste

Faserlagen mit einer ersten Wickelrichtung der Fasern mit einem Winkel so klein zur Zylinderachse des Mittelabschnitts, dass die Liner-Unterlage für die Polkappen vollflächig überdeckt wird, z.B. kleiner 20 Grad und beispielsweise bis hin zu den Boss tangierend, und/oder zweite Faserlagen mit einer zweiten Wickelrichtung der Fasern zwischen 20 und 80 Grad, vorzugsweise 65 - 75 Grad, zur Zylinderachse des Mittelabschnitts, die lediglich in einem oder mehreren begrenzten Bereichen die Liner-Unterlage für die Polkappen teilweise überdeckt. Damit können sowohl der zentrale Bereich der Polkappe als auch deren Randbereich sehr gut verstärkt werden.

In einer weiteren Ausführungsform sind die zweiten Faserlagen zumindest in einem Bereich der Polkappe angrenzend an den Mittelabschnitt des

Druckbehälters angeordnet. Dadurch werden die Randbereiche der Polkappe sehr gut verstärkt.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Polkappenverstärkungsschicht ein oder mehreren ersten Faserlagen in Kontakt zur Liner-Unterlage der Polkappe und ein oder mehreren zweiten Faserlagen auf der oder den ersten Faserlagen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die vorangegangenen ersten und/oder zweiten Faserlagen mit ein oder mehreren weiteren ersten Faserlagen

überwickelt. Solche Abfolgen von Faserlagen in der

Polkappenverstärkungsschicht verstärken die Polkappen besonders gut.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Liner-Unterlage am Übergang von Mittelabschnitt zur Polkappe einen Absatz auf, der einen Anschlag für die aufgesetzte Polkappenverstärkungsschicht bildet. Die

Polkappenverstärkungsschicht ist damit stabil und ohne die Gefahr eines

Verrutschens auf die Liner-Unterlage aufgesetzt.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Polkappenverstärkungsschicht und der Mittelabschnitt des Druckbehälters mit weiterem Faserverbundmaterial

überwickelt. Dabei können alle Faserwinkel zur Geltung kommen, niedrige, die die Polkappenverstärkungsschicht vollflächig ähnlich der ersten Faserlage belegen, höhere Faserwinkel, die ähnlich der zweiten Faserlage die

Polkappenverstärkungsschicht nicht vollflächig belegen sowie Umfangslagen größer 80 Grad zur Zylinderachse des Mittelabschnitts, die im Mittelteil und dem begrenzten Bereich der Polkappenverstärkungsschicht abgelegt werden.

In einer weiteren Ausführungsform besitzt die Polkappenverstärkungsschicht in einem an den Mittelabschnitt angrenzenden Bereich eine Außenschicht, die parallel zur Zylinderachse des Mittelabschnitts verläuft. Dies ermöglicht, dass in einer Ausführungsform die Polkappenverstärkungsschicht in Bereichen der Polkappenverstärkungsschicht angrenzend an den Mittelabschnitt mit einer rutschsicheren Überwicklung mit einer Faserrichtung von mehr als 80 Grad zur Zylinderachse des Mittelabschnitts überwickelt werden kann.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt.

Fig.1 : eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einzelne

Verfahrensschritte im seitlichen Schnitt;

Fig.2: verschiedene Ausführungsform (a) - (c) der

Polkappenverstärkungsschicht im seitlichen Schnitt erhalten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig.3: eine weitere Ausführungsform der Polkappenverstärkungsschicht gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig.4: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckbehälters im

seitlichen Schnitt;

Fig.5: eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckbehälters mit Überwicklung der Polkappenverstärkungsschicht in einem an den Mittelabschnitt angrenzenden Bereich im seitlichen Schnitt;

Fig.6: eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckbehälters mit einem Absatz als Anschlag für die Polkappenverstärkungsschicht im seitlichen Schnitt;

Fig.7: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur

Herstellung eines verstärkten Druckbehälters beispielsweise gemäß Fig.4. Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig.1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für einzelne Verfahrensschritte im seitlichen Schnitt. Der bereitgestellte erste Wickelkörper 100 umfasst hier eine zylindrische Mittelteilauflage 120, die an beiden Seiten von Enden 1 10 abgeschlossen ist, die die Form der Liner-Unterlage 2 der Polkappen 12 besitzen. Die die beiden Enden 1 10 miteinander verbindende zylindrische Mittelteilauflage 120 besitzt eine Länge LW entlang einer Zylinderachse ZA der Mittelteilauflage, die deutlich kleiner als die Höhe HP der kuppeiförmigen Enden 1 10 entlang der Zylinderachse ZA ist. Aus Übersichtgründen ist die Länge LW allerdings hier nicht eine Größenordnung kleiner als die Höhe HP dargestellt. Der an die Mittelteilauflage 120 angrenzende Bereich der Enden 1 10 wird dabei als Randbereich 1 10r bezeichnet. Der Wickelprozess zum Aufbringen 220 des Faserverbundmaterials FVM erfolgte über die beiden Enden 1 10 des

Wickelkörpers 100 hinweg. Die mittels eines Zwischenaushärtungsprozesses (hier nicht gezeigt) formstabilisierte Schicht (die spätere Polkappenverstärkungsschicht 32) aus gewickeltem Faserverbundmaterial FVM wird hier am Übergang zwischen den Enden 1 10 durch die Mittelteilauflage 120 mittels eines geeigneten

Trennprozesses entlang der Trennflächen 130 zur Herstellung einer

Polkappenverstärkungsschicht 32 durchtrennt 240. Danach erhält man mittels Ablösen 250 der beiden Polkappenverstärkungsschichten 31 vom ersten

Wickelkörper 100 zwei separate Polkappenverstärkungsschichten 32, die zum Aufsetzen auf die Liner-Unterlage 2 somit vorbereitet sind. Durch die Form des Wickelkörpers 100 können die Fasern des Faserverbundmaterials über die Enden 1 10 mit optimaler Faserrichtung in einem kontinuierlichen Prozess gewickelt werden, wodurch eine hoher Stabilität und Festigkeit der

Polkappenverstärkungsschichten 32 bei geringer Schichtdicke und damit geringem Verbrauch an Faserverbundmaterials FVM erreicht werden kann. Durch die geringe Länge der Mittelteilauflage 120 erhält man nach dem Durchtrennen keinen oder nur einen geringen Verschnitt an Faserverbundmaterial, was das für die Polkappen 12 zu verwendenden Material für eine gute Verstärkung

mengenmäßig deutlich verringert. Fig.2 zeigt verschiedene Ausführungsform (a) - (c) der

Polkappenverstärkungsschicht 32 im seitlichen Schnitt erhalten mit dem

erfindungsgemäßen Verfahren. In Ausführungsform (a) ist die

Polkappenverstärkungsschicht 32 durch erste Faserlagen 321 mit einer ersten Wickelrichtung von Fasern des Fasermaterials FVM mit einem Winkel so klein zur Zylinderachse ZA der Mittelteilauflage 120 gebildet, dass sie vollflächig über die Enden 1 10 des ersten Wickelkörpers 100 aufgebracht wurden. In

Ausführungsform (b) sind auf die ersten Faserlagen 321 nach (a) zusätzlich zweite Faserlagen 322 mit einer zweiten Wickelrichtung der Fasern zwischen 20 und 80 Grad, vorzugsweise 65 - 75 Grad, zur Zylinderachse ZA der

Mittelteilauflage 120 aufgebracht. Diese zweiten Faserlagen 322 sind hier lediglich in drei unterschiedlichen begrenzten Bereichen 32b auf die ersten Faserlagen 321 aufgebracht. Die konkreten Bereiche 32b sind hier nur beispielhaft zur Illustration so gezeigt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn zumindest einer der begrenzten

Bereiche 32b beim Wickelprozess den Randbereich 1 10r der Enden 1 10 überdeckt. In Ausführungsform (c) sind die Faserlagen 321 , 322 nach (b) zusätzlich mit weiteren ersten Faserlagen 321 überwickelt. Ein solches Paket an Faserlagen 321 , 322, 321 stellt eine besonders robuste

Polkappenverstärkungsschicht 32 dar.

Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Polkappenverstärkungsschicht 32 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei Faserverbundmaterial FVM über dem Mittelauflageteil 120 und in den daran angrenzenden Bereichen 32b über den Enden 1 10 des ersten Wickelkörpers 100 mechanisch abgetragen 235 wurde. Das Abtragen kann beispielsweise durch Schleifen erfolgen. Damit das Material genau abgetragen werden kann, erfolgt dieser Schritt erst nach dem Anwenden des Zwischenhärteprozesses 230 an einem nun formstabilen

Faserverbundmaterial FVM. Dadurch erhält die spätere

Polkappenverstärkungsschicht 32 eine Außenschicht 32a, die in den Bereichen 32b mit Abtragung hier parallel zur Zylinderachse ZA verläuft.

Fig.4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckbehälters 1 im seitlichen Schnitt mit einem zylindrischen Mittelabschnitt 1 1 und den Mittelabschnitt 1 1 beidseitig verschließenden Polkappen 12 umfassend eine Liner- Unterlage 2 und ein auf die Liner-Unterlage 2 als

Druckbehälterverstärkungsschicht 3 aufgebrachtes Faserverbundmaterial FVM, wobei die Polkappenverstärkungssicht 32 hergestellt als separates

Faserverbundmaterial FVM auf die Liner-Unterlage 2 aufgesetzt ist und die

Polkappenverstärkungsschicht 32 eine Trennkante 15 zugewandt zu

Mittelabschnitt 1 1 des Druckbehälters 2 aufweist, an der die

Polkappenverstärkungsschicht 32 zur Bildung der

Druckbehälterverstärkungsschicht 3 mit dem anderen Faserverbundmaterial 31 , FVM) des Mittelabschnitts 1 1 des Druckbehälters 1 , das im mechanischen

Kontakt zur Polkappenverstärkungsschicht 32 steht, vernetzt ist. Eine der

Polkappen weist zusätzlich ein Ventil 13 zum Befüllen des Druckbehälters mit Füllgas und zum Ablassen des Füllgases auf. Die Polkappenverstärkungsschicht 32 kann dabei erste Faserlagen 321 mit einer ersten Wickelrichtung der Fasern so klein zur Zylinderachse ZA des Mittelabschnitts 1 1 , dass die Liner-Unterlage 2 für die Polkappen 12 vollflächig überdeckt, und/oder zweite Faserlagen 322 mit einer zweiten Wickelrichtung der Fasern zwischen 20 und 80 Grad, vorzugsweise 65 - 75 Grad, zur Zylinderachse ZA des Mittelabschnitts 12, die lediglich in einem oder mehreren begrenzten Bereichen 32b die Liner-Unterlage 2 für die Polkappen 12 teilweise überdeckt, umfassen (hier nicht im Detail gezeigt). Die zweite Faserlagen 322 kann dabei zumindest in einem Bereich 32b der Polkappe 12 angrenzend an den Mittelabschnitt 1 1 des Druckbehälters 1 angeordnet sein. Die

Polkappenverstärkungsschicht 32 kann dabei eine Folge von Faserlagen wie in Fig. 2 gezeigt umfassen.

Fig.5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckbehälters 1 mit Überwicklung der Polkappenverstärkungsschicht 32 in einem an den

Mittelabschnitt 1 1 angrenzenden Bereich 32b im seitlichen Schnitt. Hierbei besitzt die Polkappenverstärkungsschicht 32 einem an den Mittelabschnitt 1 1

angrenzenden Bereich 32b eine Außenschicht 32a, die parallel zur Zylinderachse ZA des Mittelabschnitts 1 1 verläuft. Dieser parallele Bereich wurde wie zu Fig. 3 beschrieben hergestellt. Hier ist die Polkappenverstärkungsschicht 3 in diesem Bereichen 32b mit einer rutschsichere Überwicklung 31 b mit einer Faserrichtung von mehr als 80 Grad zur Zylinderachse ZA des Mittelabschnitts 1 1 zulassen, überwickelt, was die Vernetzung zwischen Mittelabschnittsverstärkungsschicht 31 und Polkappenverstärkungsschicht verbessert und eine zusätzliche Verstärkung für den Randbereich der Polkappenverstärkungsschicht 31 darstellt.

Fig.6 zeigt eine weitere Ausführungsfornn des erfindungsgemäßen Druckbehälters 1 mit einem Absatz 14 als Anschlag für die Polkappenverstärkungsschicht 32 im seitlichen Schnitt. Hierbei besitzt die Liner-Unterlage 2 am Übergang von

Mittelabschnitt 1 1 zur Polkappe 12 diesen Absatz. Das Aufsetzen 260 der

Polkappenverstärkungsschicht 32 erfolgt dabei bis zum Anschlag an den Absatz 14. Für eine gute Vernetzung mit der Mittelabschnittsverstärkungsschicht 32 sollten der Absatz 14 und die Trennfläche 32c der Polkappenverstärkungsschicht 32 parallel zueinander verlaufen. Fig.7 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens 200 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen verstärkten Druckbehälters 1 (siehe beispielsweise Fig.4) umfassend die Schritte des Bereitstellens 210 eines ersten Wickelkörpers 100 (siehe beispielsweise Fig.1 ) und des Aufbringens 220 des Faserverbundmaterials FVM mittels eines Wickelprozesses zumindest auf das Ende 1 10 und die Mittelteilauflage 120 des ersten Wickelkörpers 100. Der Wickelkörper 100 kann dafür auf beiden Seiten der Mittelteilauflage jeweils ein Ende 1 10 mit einer Form entsprechend der Liner-Unterlage 2 der Polkappen 12 umfassen, die miteinander über die zylindrische Mittelteilauflage 120 verbunden sind, die eine Länge LW entlang einer Zylinderachse ZA der Mittelteilauflage 120 besitzt, die kleiner als die Höhe HP der kuppeiförmigen Enden 1 10 entlang der Zylinderachse ZA ist. Vorzugsweise ist die Länge LW eine Größenordnung kleiner als die Höhe HP und des Wickelprozesses zum Aufbringen 220 des

Faserverbundmaterials FVM erfolgt über beide Enden 1 10 hinweg. Das

Aufbringen 220 kann dabei die Schritte des Aufbringens 222 ein oder mehrerer erster Faserlagen 321 mit einer ersten Wickelrichtung von Fasern des

Fasermaterials (FVM) kleiner 20 Grad zur Zylinderachse ZA der Mittelteilauflage 120 auf den ersten Wickelkörper 100 bis hin zu den Boss tangierend, des

Aufbringens 224 ein oder mehrerer zweiter Faserlagen 322 mit einer zweiten Wickelrichtung der Fasern zwischen 20 und 80 Grad, vorzugsweise 65 - 75 Grad zur Zylinderachse ZA der Mittelteilauflage 120 auf die ersten Faserlagen 321 und des Überwickelns 225 der vorangegangenen ersten und/oder zweiten Faserlagen 321 , 322 mit ein oder mehreren weiteren ersten Faserlagen 321 umfassen.

Hierbei können die ersten Faserlagen vollflächig über die Enden des ersten Wickelkörpers 100 aufgebracht werden. Hierbei können die zweiten Faserlagen 322 lediglich in einem oder mehreren begrenzten Bereichen 32b über die Enden 1 10 des ersten Wickelkörpers 100 aufgebracht werden. Hierbei kann zumindest einer der begrenzten Bereiche 32b die Mittelauflage 120 und einen an die

Mittelteilauflage 120 angrenzenden Randbereich 1 1 Or der Enden 1 10 überdecken. Nachdem die Faserverbundschicht gewickelt wurde, wird ein geeigneter

Zwischenaushärtungsprozess 230 zur Formstabilisierung des gewickelten

Faserverbundmaterials FVM angewendet, das danach aber weiterhin chemisch aktiv für eine spätere Vernetzung mit einem anderem Faserverbundmaterial 31 ist. Danach erfolgt ein Durchtrennen 240 zumindest des Faserverbundmaterials FVM am Übergang zwischen Ende 1 10 und Mittelteilauflage 120 mittels eines

geeigneten Trennprozesses zur Herstellung einer Polkappenverstärkungsschicht 32. Hierbei kann die Länge LW der Mittelteilauflage 120 so angepasst sein, dass das Durchtrennen 240 zur Herstellung zweier separater

Polkappenverstärkungsschichten 32 führt. Je nach Ausführungsform des

Verfahrens kann vorher noch der zusätzliche Schritt eines mechanischen

Abtragens 235 von Faserverbundmaterial FVM über dem Mittelauflageteil 120 und in den daran angrenzenden Bereichen 32b über dem oder den Enden 1 10 des ersten Wickelkörpers 100 erfolgen. Dadurch erhält die spätere

Polkappenverstärkungsschicht 32 eine Außenschicht, die in den Bereichen 32b mit Abtragung zumindest zum Teil parallel, schräg oder senkrecht zur

Zylinderachse ZA verläuft. Nach dem Durchtrennen erfolgt das Ablösen 250 der Polkappenverstärkungsschicht 31 vom ersten Wickelkörper 100 und das

Aufsetzen 260 der abgelösten Polkappenverstärkungsschicht 32 auf die jeweilige Liner-Unterlage 2 der Polkappe 12 des Druckbehälters 1 . Falls die Liner-Unterlage 2 am Übergang von Mittelabschnitt 1 1 zur Polkappe 12 einen Absatz 14 aufweist, der einen Anschlag für die aufzusetzende Polkappenverstärkungsschicht 32 bildet, kann das Aufsetzen 260 einfach bis zum Anschlag an den Absatz 14 erfolgen. Nachfolgend erfolgt das Vernetzen 270 der

Polkappenverstärkungsschicht 32 und des weiteren Faserverbundmaterial FVM als Mittelabschnittsverstärkungsschicht 31 . Vor oder nach dem Schritt der Vernetzung 270 kann zusätzlich ein Überwickeln 280 der

Mittelabschnittsverstärkungsschicht 31 in Bereichen 32b der

Polkappenverstärkungsschicht 32 angrenzend an den Mittelabschnitt 1 1 , die ein rutschsicheres Überwickeln 280 mit einer Faserrichtung von mehr als 80 Grad zur Zylinderachse ZA des Mittelabschnitts 1 1 zulassen, erfolgen. Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden.

Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1 Druckbehälter

1 1 zylindrisches Mittelabschnitt des Druckbehälters

12 kuppeiförmige Polkappen des Druckbehälters

13 Ventil

14 Absatz am Übergang von Mittelabschnitt zur Polkappe

15 Trennkante der Polkappenverstärkungsschicht zum Mittelabschnitt hin

2 Liner-Unterlage des Druckbehälters

3 Druckbehälterverstärkungsschicht

31 Mittelabschnittsverstärkungsschicht

31 b rutschsichere Überwicklung der Polkappenverstärkungsschicht

32 Polkappenverstärkungsschicht

32a Außenschicht der Polkappenverstärkungsschicht

32b begrenzte Bereiche der Polkappenverstärkungsschicht

32c Trennfläche der Polkappenverstärkungsschicht 32

321 erste Faserlage

322 zweite Faserlage 100 erster Wickelkörper für Polkappenverstärkungsschicht

1 10 ein Ende / beide Enden des Wickelkörpers

1 10r Randbereich der Enden

120 zylindrische Mittelteilauflage des Wickelkörpers

130 Trennfläche beim Durchtrennen 240

200 Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Druckbehälters

210 Bereitstellen eines ersten Wickelkörpers

220 Aufbringen des Faserverbundmaterials mittels eines Wickelprozesses auf den ersten Wickelkörper

222 Aufbringen von ersten Faserlagen auf den ersten Wickelkörper

224 Aufbringen von zweiten Faserlagen auf die ersten Faserlagen

226 Überwickeln der ersten / zweiten Faserlagen mit weiteren ersten

Faserlagen 230 Anwenden eines geeigneten Zwischenaushärtungsprozesses zur

Formstabilisierung des gewickelten Faserverbundmaterials

235 mechanisches Abtragen von Faserverbundmaterial über dem Mittelteil und in den daran angrenzenden Bereichen

240 Durchtrennen des Faserverbundmaterials zur Herstellung einer

Polkappenverstärkungsschicht

250 Ablösen der Polkappenverstärkungsschicht vom ersten Wickelkörper 260 Aufsetzen der abgelösten Polkappenverstärkungsschicht auf die jeweilige

Liner-Unterlage des Druckbehälters

270 Vernetzen der Polkappenverstärkungsschicht und des weiteren

Faserverbundmaterials (FVM)

280 rutschsicheres Überwickeln der Druckbehälterverstärkungsschicht im

Bereich 32b mit zusätzlichem Faserverbundmaterial

290 Überwickeln der Druckbehälterverstärkungsschicht und des zylindrischen

Mittelabschnitts des Druckbehälters mit zusätzlichem

Faserverbundmaterial

FVM Faserverbundmaterial der Druckbehälterverstärkungsschicht

HP Höhe der kuppeiförmigen Enden entlang der Zylinderachse

LW Länge des Mittelteilauflage des Wickelkörpers

ZA Zylinderachse des zylindrischen Mittelabschnitts des Druckbehälters und der Mittelteilauflage des Wickelkörpers