Standaard platplatform-tenks vir BEV's en FCEV's gebruik termoplastiese en termoset-komposiete met 'n skeletkonstruksie wat 25% meer H2-berging bied. #hidrogeen #trends
Nadat 'n samewerking met BMW getoon het dat 'n kubieke tenk 'n hoër volumetriese doeltreffendheid kan lewer as veelvuldige klein silinders, het die Tegniese Universiteit van München 'n projek begin om 'n saamgestelde struktuur en 'n skaalbare vervaardigingsproses vir seriële produksie te ontwikkel. Beeldkrediet: TU Dresden (bo) links), Tegniese Universiteit van München, Departement Koolstofkomposiete (LCC)
Brandstofselle elektriese voertuie (FCEV's) aangedryf deur waterstof met nul-emissie (H2) bied bykomende middele om nul omgewingsteikens te bereik. 'N Passasiersmotor met 'n brandstofsel met 'n H2-enjin kan binne 5-7 minute gevul word en het 'n reeks van 500 km, maar is tans duurder as gevolg van lae produksievolumes. Een manier om koste te verlaag, is om 'n standaardplatform vir BEV- en FCEV -modelle te gebruik. Dit is tans nie moontlik nie, want die tipe 4 -silindriese tenks wat gebruik word om saamgeperste H2 -gas (CGH2) teen 700 bar in FCEV's te stoor, is nie geskik vir die onderkant van die batterykompartemente wat noukeurig ontwerp is vir elektriese voertuie nie. Drukvate in die vorm van kussings en kubusse kan egter in hierdie plat verpakkingsruimte pas.
Patent US5577630A vir “saamgestelde konformale drukvaartuig”, aansoek wat in 1995 deur Thiokol Corp ingedien is (links) en die reghoekige drukvat wat in 2009 (regs) deur BMW gepatenteer is.
Die departement koolstofkomposiete (LCC) van die Tegniese Universiteit van München (Tum, München, Duitsland) is betrokke by twee projekte om hierdie konsep te ontwikkel. Die eerste is polimers4hidrogeen (P4H), gelei deur die Leoben Polymer -bevoegdheidsentrum (PCCL, Leoben, Oostenryk). Die LCC -werkpakket word gelei deur die mede -Elizabeth Glace.
Die tweede projek is die waterstofdemonstrasie- en ontwikkelingsomgewing (Hydden), waar LCC gelei word deur die navorser Christian Jaeger. Albei is daarop gemik om 'n grootskaalse demonstrasie van die vervaardigingsproses te skep om 'n geskikte CGH2-tenk te maak met behulp van koolstofveselkomposiete.
Daar is 'n beperkte volumetriese doeltreffendheid wanneer silinders met klein deursnee in plat batteryselle (links) en kubieke tipe 2 -drukvate van staalvoerings en 'n koolstofvesel/epoksie -saamgestelde buitenste dop (regs) geïnstalleer word. Beeldbron: Figuur 3 en 6 is van “Numeriese ontwerpbenadering vir tipe II -drukkas met interne spanningsbene” deur RUF en Zaremba et al.
P4H het 'n eksperimentele kubus tenk vervaardig wat 'n termoplastiese raam gebruik met saamgestelde spanningsbande/stutte toegedraai in koolstofveselversterkte epoxy. Hydden sal 'n soortgelyke ontwerp gebruik, maar sal outomatiese veselopstelling (AFP) gebruik om alle termoplastiese saamgestelde tenks te vervaardig.
Van 'n patentaansoek deur Thiokol Corp. tot 'Composite Conformal Pressure Vessel' in 1995 tot Duitse patent DE19749950C2 in 1997, kan saamgeperste gasvate 'enige meetkundige konfigurasie hê', maar veral plat en onreëlmatige vorms, in 'n holte wat aan die dopondersteuning gekoppel is. Elemente word gebruik sodat dit die krag van die uitbreiding van die gas kan weerstaan.
'N 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) vraestel beskryf drie benaderings: 'n filamentwond-konformale drukvaartuig, 'n mikro-afdrukdrukvaartuig wat 'n interne ortorhombiese roosterstruktuur bevat (klein selle van 2 cm of minder), omring deur 'n dunwandige H2-houer, en 'n replikaathouer, wat bestaan uit 'n interne struktuur wat bestaan uit klein onderdele (EG, Hexon, wat plastiek bestaan, wat bestaan uit 'n interne struktuur wat bestaan uit klein onderdele (EG, Hexagon, wat bestaan uit 'n interne struktuur, wat bestaan uit 'n interne struktuur (EG, wat 'n replikaat is, wat die plastiek bevat ringe) en 'n samestelling van dun buitenste dopvel. Duplikaathouers is die beste geskik vir groter houers waar tradisionele metodes moeilik kan wees om toe te pas.
Patent DE102009057170A wat in 2009 deur Volkswagen ingedien is, beskryf 'n voertuiggemonteerde drukvat wat doeltreffendheid met 'n hoë gewig sal bied, terwyl die gebruik van die ruimte verbeter word. Reghoekige tenks gebruik spanningverbindings tussen twee reghoekige teenoorgestelde mure, en die hoeke is afgerond.
Bogenoemde en ander konsepte word deur Gleiss in die artikel aangehaal “Prosesontwikkeling vir kubieke drukvate met rekstawe” deur Gleiss et al. by ECCM20 (26-30 Junie 2022, Lausanne, Switserland). In hierdie artikel noem sy 'n TUM -studie wat deur Michael Roof en Sven Zaremba gepubliseer is, wat bevind het dat 'n kubieke drukvat met spanningstutte wat reghoekige kante verbind, doeltreffender is as verskeie klein silinders wat in die ruimte van 'n plat battery pas, wat ongeveer 25% meer bied. Stoorplek.
Volgens Gleiss is die probleem met die installering van 'n groot aantal klein tipe 4 -silinders in 'n plat geval dat “die volume tussen die silinders baie verminder word en die stelsel ook 'n baie groot H2 -deurdringingsoppervlak het. In die algemeen bied die stelsel minder opbergingskapasiteit as kubieke flesse. ”
Daar is egter ander probleme met die kubieke ontwerp van die tenk. "Dit is duidelik dat u, as gevolg van die saamgeperste gas, die buigkragte teen die plat mure teenwerk," het Gleiss gesê. 'Hiervoor benodig u 'n versterkte struktuur wat intern aan die mure van die tenk verbind word. Maar dit is moeilik om met komposiete te doen. ”
Glace en haar span het probeer om die spanningstawe in die drukvaartuig te versterk op 'n manier wat geskik sou wees vir die wikkeling van die gloeilamp. 'Dit is belangrik vir produksie met 'n hoë volume,' verduidelik sy, 'en stel ons ook in staat om die kronkelpatroon van die houermure te ontwerp om veseloriëntasie vir elke las in die sone te optimaliseer.'
Vier stappe om 'n proefkubieke saamgestelde tenk vir die P4H -projek te maak. Beeldkrediet: “Ontwikkeling van 'n produksieproses vir kubieke drukvaartuie met Brace”, Technical University of München, Polymers4hidrogeenprojek, ECCM20, Junie 2022.
Om On-Chain te bereik, het die span 'n nuwe konsep ontwikkel wat bestaan uit vier hoofstappe, soos hierbo getoon. Die spanningsstutte, wat in swart op die stappe getoon word, is 'n voorafvervaardigde raamstruktuur wat vervaardig is met behulp van metodes wat uit die MAI Skelett -projek geneem is. Vir hierdie projek het BMW 'n “raamwerk” van die voorruit-raam ontwikkel met behulp van vier veselversterkte pultrusie-stawe, wat dan in 'n plastiekraam gevorm is.
Die raam van 'n eksperimentele kubieke tenk. Hexagonale skeletafdelings 3D gedruk deur TUM met behulp van onversterkte PLA -filament (bo), die CF/PA6 -pultrusie -stawe in te voeg as spanningstutte (middel) en dan die filament om die draadjies (onder) draai. Beeldkrediet: Tegniese Universiteit van München LCC.
“Die idee is dat u die raam van 'n kubieke tenk as 'n modulêre struktuur kan bou,” het Glace gesê. "Hierdie modules word dan in 'n vorminstrument geplaas, die spanningstutte word in die raammodules geplaas, en dan word Mai Skelett se metode rondom die stutte gebruik om dit met die raamonderdele te integreer." Massaproduksiemetode, wat lei tot 'n struktuur wat dan as 'n mandrel of kern gebruik word om die saamgestelde dop op die opgaartenk te draai.
Tum het die tenkraam ontwerp as 'n kubieke 'kussing' met soliede sye, afgeronde hoeke en 'n seskantige patroon aan die bokant en onderkant waardeur bande aangebring en aangebring kan word. Die gate vir hierdie rakke is ook 3D gedruk. “Vir ons aanvanklike eksperimentele tenk het ons 3D seskantige raamgedeeltes gedruk met behulp van polilaktiensuur [PLA, 'n bio-gebaseerde termoplastiek] omdat dit maklik en goedkoop was,” het Glace gesê.
Die span het 68 pultrude koolstofveselversterkte polyamide 6 (PA6) -stawe van SGL Carbon (Meitingen, Duitsland) gekoop vir gebruik as bande. 'Om die konsep te toets, het ons geen vorm gedoen nie,' sê Gleiss, 'maar eenvoudig in 'n 3D -gedrukte heuningkoek -kernraam geplaas en dit met epoxy -gom vasgeplak. Dit bied dan 'n doorn om die tenk te kronkel. ” Sy merk op dat alhoewel hierdie stawe relatief maklik is om te wind, daar 'n paar belangrike probleme is wat later beskryf sal word.
"In die eerste fase was ons doel om die vervaardigbaarheid van die ontwerp te demonstreer en probleme in die produksiekonsep te identifiseer," het Gleiss verduidelik. 'Die spanningstutte steek dus uit die buitenste oppervlak van die skeletstruktuur uit, en ons heg die koolstofvesels aan hierdie kern vas met behulp van nat filamentwikkeling. Daarna, in die derde stap, buig ons die kop van elke das. Termoplastiek, so ons gebruik net hitte om die kop te hervorm, sodat dit platvloei en in die eerste laag van die laag sluit. Ons gaan dan weer die struktuur toe sodat die plat stootkop meetkundig in die tenk toegemaak is. laminaat op die mure.
Spacer cap vir kronkel. TUM gebruik plastiekdoppies aan die ente van die spanningsstawe om te voorkom dat die vesels tydens die wikkeling van die gloeilamp verstang. Beeldkrediet: Tegniese Universiteit van München LCC.
Glace het herhaal dat hierdie eerste tenk 'n bewys van konsep was. “Die gebruik van 3D -drukwerk en gom was slegs vir aanvanklike toetsing en het ons 'n idee gegee van 'n paar probleme wat ons teëgekom het. Byvoorbeeld, tydens wikkeling is die filamente deur die punte van die spanningsstawe gevang, wat veselbreuk, veselskade veroorsaak en die hoeveelheid vesel verminder om dit teen te werk. Ons het 'n paar plastiekdoppies gebruik as vervaardigingshulpmiddels wat voor die eerste kronkelende stap op die pale geplaas is. Toe die interne laminate gemaak is, het ons hierdie beskermende doppe verwyder en die punte van die pale voor die finale omhulsel hervorm. ”
Die span het met verskillende heropbou -scenario's geëksperimenteer. 'Diegene wat rondkyk, werk die beste,' sê Grace. 'Ons het ook tydens die prototiperingsfase 'n gewysigde sweisinstrument gebruik om hitte toe te pas en die dasstaafpunte te hervorm. In 'n massaproduksiekonsep sou u een groter werktuig hê wat al die ente van die stutte in 'n binne -afwerkingslaminaat kan vorm en vorm. . '
Drawbar -koppe hervorm. Tum het met verskillende konsepte geëksperimenteer en die sweislasse gewysig om die ente van die saamgestelde bande in lyn te bring om aan die laminaat van die tenkwand te heg. Beeldkrediet: “Ontwikkeling van 'n produksieproses vir kubieke drukvaartuie met Brace”, Technical University of München, Polymers4hidrogeenprojek, ECCM20, Junie 2022.
Dus word die laminaat na die eerste kronkelende stap genees, die poste word hervorm, die tum voltooi die tweede wikkeling van die filamente, en dan word die buitenste tenkwandlaminaat 'n tweede keer genees. Let daarop dat dit 'n tipe 5 -tenkontwerp is, wat beteken dat dit nie 'n plastiekvoering het as 'n gasversperring nie. Kyk na die bespreking in die volgende stappe -afdeling hieronder.
“Ons het die eerste demo in dwarssnitte gesny en die verbonde gebied gekarteer,” het Glace gesê. '' N Close-up wys dat ons kwaliteit probleme met die laminaat gehad het, met die stutkoppe wat nie plat op die binnekantlaminaat lê nie. '
Oplos van probleme met gapings tussen die laminaat van die binne- en buitemure van die tenk. Die gewysigde dasstaafkop skep 'n gaping tussen die eerste en tweede draaie van die eksperimentele tenk. Beeldkrediet: Tegniese Universiteit van München LCC.
Hierdie aanvanklike 450 x 290 x 80 mm -tenk is verlede somer voltooi. “Ons het sedertdien baie vordering gemaak, maar ons het nog steeds 'n gaping tussen laminaat binne en buite,” het Glace gesê. 'Ons het dus probeer om die leemtes met 'n skoon, hoë viskositeitshars te vul. Dit verbeter die verband tussen die knoppies en die laminaat, wat die meganiese spanning aansienlik verhoog. ”
Die span het voortgegaan om die tenkontwerp en -proses te ontwikkel, insluitend oplossings vir die gewenste kronkelpatroon. “Die kante van die toetstenk was nie heeltemal gekrul nie, want dit was moeilik vir hierdie meetkunde om 'n kronkelende paadjie te skep,” het Glace verduidelik. 'Ons aanvanklike kronkelhoek was 75 °, maar ons het geweet dat verskeie stroombane nodig was om aan die las in hierdie drukvat te voldoen. Ons is nog steeds op soek na 'n oplossing vir hierdie probleem, maar dit is nie maklik met die sagteware wat tans op die mark is nie. Dit kan 'n opvolgprojek word.
“Ons het die uitvoerbaarheid van hierdie produksiekonsep getoon,” sê Gleiss, “maar ons moet verder werk om die verband tussen die laminaat te verbeter en die dasstawe te hervorm. “Eksterne toetsing op 'n toetsmasjien. U trek die afstandhouers uit die laminaat en toets die meganiese vragte wat daardie gewrigte kan weerstaan. ”
Hierdie deel van die Polymers4hidrogeenprojek word aan die einde van 2023 voltooi, waarna Gleis hoop om die tweede demonstrasietenk te voltooi. Interessant genoeg gebruik ontwerpe vandag netjiese versterkte termoplastiek in die raam- en termoset -komposiete in die tenkmure. Sal hierdie basterbenadering in die finale demonstrasietenk gebruik word? 'Ja,' het Grace gesê. "Ons vennote in die Polymers4hidrogeenprojek ontwikkel epoxy -harsen en ander saamgestelde matriksmateriaal met beter waterstofversperringseienskappe." Sy lys twee vennote wat aan hierdie werk werk, PCCL en die Universiteit van Tampere (Tampere, Finland).
Gleiss en haar span het ook inligting uitgeruil en idees met Jaeger bespreek oor die tweede Hydden -projek van die LCC Conformal Composite Tank.
"Ons sal 'n ooreenstemmende saamgestelde drukvat vir navorsingsdrone produseer," sê Jaeger. “Dit is 'n samewerking tussen die twee departemente van die lugvaart en die geodetiese departement van Tum - LCC en die Departement Helicopter Technology (HT). Die projek sal teen die einde van 2024 voltooi wees en ons voltooi tans die drukvat. 'N Ontwerp wat meer van 'n lugvaart- en motorbenadering is. Na hierdie aanvanklike konsepfase is die volgende stap om gedetailleerde strukturele modellering uit te voer en die versperringsprestasie van die muurstruktuur te voorspel. ”
"Die hele idee is om 'n verkennende drone met 'n baster -brandstofsel en die aandrywingstelsel van batterye te ontwikkel," het hy voortgegaan. Dit sal die battery gebruik tydens hoë kraglading (dws opstyg en landing) en dan oorgaan na die brandstofsel tydens ligte vrag. “Die HT -span het reeds 'n navorsingsdrone gehad en die drywingsbaan herontwerp om beide batterye en brandstofselle te gebruik,” het Yeager gesê. 'Hulle het ook 'n CGH2 -tenk gekoop om hierdie transmissie te toets.'
"My span het die taak gehad om 'n prototipe van die druktenk te bou wat sou pas, maar nie as gevolg van die verpakkingsprobleme wat 'n silindriese tenk sou skep nie," verduidelik hy. '' N Vleiige tenk bied nie soveel windweerstand nie. U kry dus beter vlugprestasie. ” Tenkafmetings Ongeveer. 830 x 350 x 173 mm.
Volledig termoplastiese AFP -nakomende tenk. Vir die Hydden -projek het die LCC -span by TUM aanvanklik 'n soortgelyke benadering ondersoek as wat deur Glace (hierbo) gebruik is, maar het daarna na 'n benadering oorgegaan met behulp van 'n kombinasie van verskillende strukturele modules, wat toe met AFP (hieronder) te veel gebruik is. Beeldkrediet: Tegniese Universiteit van München LCC.
'Een idee is soortgelyk aan Elisabeth [Gleiss se] benadering,' sê Yager, 'om spanningstutte op die vaartuigmuur toe te pas om te vergoed vir die hoë buigmagte. In plaas daarvan om 'n kronkelingsproses te gebruik om die tenk te maak, gebruik ons AFP. Daarom het ons daaraan gedink om 'n aparte gedeelte van die drukvat te skep, waarin die rakke reeds geïntegreer is. Hierdie benadering het my in staat gestel om verskeie van hierdie geïntegreerde modules te kombineer en dan 'n einddop aan te wend om alles voor die finale AFP -wikkeling te verseël. ”
'Ons probeer om so 'n konsep te finaliseer,' het hy voortgegaan, 'en begin ook die keuse van materiale toets, wat baie belangrik is om die nodige weerstand teen H2 -gaspenetrasie te verseker. Hiervoor gebruik ons hoofsaaklik termoplastiese materiale en werk ons aan verskillende hoe die materiaal hierdie deurdringingsgedrag en verwerking in die AFP -masjien sal beïnvloed. Dit is belangrik om te verstaan of die behandeling 'n effek sal hê en of enige na-verwerking nodig is. Ons wil ook weet of verskillende stapels waterstofdeurdringing deur die drukvat sal beïnvloed. ”
Die tenk sal geheel en al van termoplasties gemaak word en die stroke sal deur Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Duitsland) voorsien word. “Ons gebruik hul PPS [polifenileen sulfied], peek [polyether ketone] en LM paeK [lae smeltende polyaryl ketone] materiale,” het Yager gesê. 'Daar word dan vergelykings getref om te sien watter een die beste is vir die beskerming van penetrasie en die vervaardiging van onderdele met beter werkverrigting.' Hy hoop om binne die volgende jaar toetsing, strukturele en prosesmodellering en eerste demonstrasies te voltooi.
Die navorsingswerk is uitgevoer binne die komeetmodule “Polymers4hidrogen” (ID 21647053) binne die COMET -program van die Federale Ministerie vir Klimaatsverandering, die omgewing, Energie, Mobiliteit, Innovasie en Tegnologie en die Federale Ministerie vir Digitale Tegnologie en Ekonomie. . Die skrywers bedank die deelnemende vennote Polymer -bevoegdheidsentrum Leoben GmbH (PCCL, Oostenryk), Montanuniversitaet Leoben (Fakulteit Polimeeringenieurswese en Wetenskap, Departement Chemie van Polimeermateriaal, Departement Materiaalwetenskap en Polimeertoetsing), Universiteit van Tampere (Fakulteit Ingenieurswese -materiaal). ) Wetenskap), Peak Technology en Faurecia het bygedra tot hierdie navorsingswerk. Comet-Modul word befonds deur die regering van Oostenryk en die regering van die Staat Styria.
Voorversterkte velle vir lasdraende strukture bevat deurlopende vesels-nie net van glas nie, maar ook van koolstof en aramid.
Daar is baie maniere om saamgestelde dele te maak. Daarom sal die keuse van metode vir 'n spesifieke deel afhang van die materiaal, die ontwerp van die onderdeel en die eindgebruik of toepassing. Hier is 'n keuringsgids.
Shocker Composites en R&M International ontwikkel 'n herwinde koolstofveselvoorsieningsketting wat nul slag, laer koste as maagdelike vesel en uiteindelik lengtes bied wat deurlopende vesel in strukturele eienskappe benader.
Postyd: MAR-15-2023