Standaard platplatformtenks vir BEV's en FCEV's gebruik termoplastiese en termoharde komposiete met 'n skeletkonstruksie wat 25% meer H2-berging bied. #waterstof #tendense
Nadat 'n samewerking met BMW getoon het dat 'n kubieke tenk hoër volumetriese doeltreffendheid as veelvuldige klein silinders kan lewer, het die Tegniese Universiteit van München 'n projek aangepak om 'n saamgestelde struktuur en 'n skaalbare vervaardigingsproses vir reeksproduksie te ontwikkel. Beeldkrediet: TU Dresden (links bo), Tegniese Universiteit van München, Departement van Koolstofsamestellings (LCC)
Brandstofsel elektriese voertuie (FCEV's) aangedryf deur nul-emissie (H2) waterstof bied bykomende maniere om nul omgewingsteikens te bereik. ’n Brandstofselpassasiersmotor met ’n H2-enjin kan in 5-7 minute gevul word en het ’n reikafstand van 500 km, maar is tans duurder weens lae produksievolumes. Een manier om koste te verminder, is om 'n standaardplatform vir BEV- en FCEV-modelle te gebruik. Dit is tans nie moontlik nie omdat die Tipe 4-silindriese tenks wat gebruik word om saamgeperste H2-gas (CGH2) teen 700 bar in FCEV's te stoor, nie geskik is vir die onderliggaambatterykompartemente wat noukeurig vir elektriese voertuie ontwerp is nie. Drukvate in die vorm van kussings en blokkies kan egter in hierdie plat verpakkingsruimte pas.
Patent US5577630A vir “Composite Conformal Pressure Vessel”, aansoek ingedien deur Thiokol Corp. in 1995 (links) en die reghoekige drukvat gepatenteer deur BMW in 2009 (regs).
Die Departement Koolstofsamestellings (LCC) van die Tegniese Universiteit van München (TUM, München, Duitsland) is betrokke by twee projekte om hierdie konsep te ontwikkel. Die eerste is Polymers4Hydrogen (P4H), gelei deur die Leoben Polymer Competence Centre (PCCL, Leoben, Oostenryk). Die LCC-werkpakket word gelei deur mede Elizabeth Glace.
Die tweede projek is die Waterstof Demonstrasie en Ontwikkelingsomgewing (HyDDen), waar LCC gelei word deur Navorser Christian Jaeger. Albei het ten doel om 'n grootskaalse demonstrasie van die vervaardigingsproses te skep vir die maak van 'n geskikte CGH2-tenk met behulp van koolstofvesel-samestellings.
Daar is beperkte volumetriese doeltreffendheid wanneer silinders met 'n klein deursnee geïnstalleer word in plat batteryselle (links) en kubieke tipe 2 drukvate gemaak van staalvoerings en 'n koolstofvesel/epoksie saamgestelde buitenste dop (regs). Beeldbron: Figure 3 en 6 is van “Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs” deur Ruf en Zaremba et al.
P4H het 'n eksperimentele kubustenk vervaardig wat 'n termoplastiese raam gebruik met saamgestelde spanbande/stutte toegedraai in koolstofveselversterkte epoksie. HyDDen sal 'n soortgelyke ontwerp gebruik, maar sal outomatiese veseloplegging (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 gashouers "enige geometriese konfigurasie hê", maar veral plat en onreëlmatige vorms, in 'n holte wat aan die dopsteun gekoppel is . elemente word gebruik sodat hulle die krag van uitsetting van die gas kan weerstaan.
'n 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)-vraestel beskryf drie benaderings: 'n filamentwond-konforme drukvat, 'n mikroroosterdrukvat wat 'n interne ortorombiese roosterstruktuur bevat (klein selle van 2 cm of minder), omring deur 'n dunwandige H2-houer, en 'n replikatorhouer, bestaande uit 'n interne struktuur wat bestaan uit vasgeplakte klein dele (bv. seskantige plastiekringe) 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 hoë gewigdoeltreffendheid sal bied terwyl ruimtebenutting verbeter word. Reghoekige tenks gebruik spanningsverbindings tussen twee reghoekige oorkantste mure, en die hoeke is afgerond.
Die bogenoemde en ander konsepte word deur Gleiss aangehaal in die referaat "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" deur Gleiss et al. by ECCM20 (26-30 Junie 2022, Lausanne, Switserland). In hierdie artikel haal sy 'n TUM-studie aan wat deur Michael Roof en Sven Zaremba gepubliseer is, wat bevind het dat 'n kubieke drukvat met spanningstutte wat reghoekige sye verbind meer doeltreffend is as verskeie klein silinders wat in die spasie van 'n pap battery pas, wat ongeveer 25 % meer. stoorplek.
Volgens Gleiss is die probleem met die installering van ’n groot aantal klein tipe 4-silinders in ’n plat kas dat “die volume tussen die silinders aansienlik verminder word en die stelsel het ook ’n baie groot H2-gaspermeasie-oppervlak. In die algemeen bied die stelsel minder bergingskapasiteit as kubieke flesse.”
Daar is egter ander probleme met die tenk se kubieke ontwerp. "Natuurlik, as gevolg van die saamgeperste gas, moet jy die buigkragte op die plat mure teëwerk," het Gleiss gesê. “Hiervoor het jy ’n versterkte struktuur nodig wat intern by die tenk se mure aansluit. Maar dit is moeilik om met komposiete te doen.”
Glace en haar span het probeer om versterkende spanningstawe in die drukvat te inkorporeer op 'n manier wat geskik sou wees vir die filamentwikkelproses. "Dit is belangrik vir hoëvolume-produksie," verduidelik sy, "en stel ons ook in staat om die kronkelpatroon van die houermure te ontwerp om veseloriëntasie vir elke vrag 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 drukvate met stut", Tegniese Universiteit van München, Polymers4Hydrogen-projek, ECCM20, Junie 2022.
Om on-ketting te bereik, het die span 'n nuwe konsep ontwikkel wat bestaan uit vier hoofstappe, soos hierbo getoon. Die spanstutte, wat in swart op die trappe getoon word, is 'n voorafvervaardigde raamstruktuur wat vervaardig is met metodes wat uit die MAI Skelett-projek geneem is. Vir hierdie projek het BMW 'n voorruitraamwerk ontwikkel met behulp van vier veselversterkte pultrusiestawe, wat dan in 'n plastiekraam gevorm is.
Die raam van 'n eksperimentele kubieke tenk. Seskantige skeletseksies 3D gedruk deur TUM deur gebruik te maak van onversterkte PLA-filament (bo), CF/PA6-pultrusiestawe as spanningstutte (middel) in te voeg en dan die filament om die draadjies (onder) te draai. Beeldkrediet: Tegniese Universiteit van München LCC.
"Die idee is dat jy die raam van 'n kubieke tenk as 'n modulêre struktuur kan bou," het Glace gesê. "Hierdie modules word dan in 'n gietwerktuig geplaas, die spanningstutte word in die raammodules geplaas, en dan word MAI Skelett se metode om die stutte gebruik om hulle met die raamdele te integreer." massaproduksiemetode, wat lei tot 'n struktuur wat dan as 'n deurn of kern gebruik word om die opgaartenk saamgestelde dop toe te draai.
TUM het die tenkraam ontwerp as 'n kubieke "kussing" met soliede sye, geronde hoeke en 'n seskantige patroon aan die bo- en onderkant waardeur bande ingesit en geheg kan word. Die gate vir hierdie rakke is ook 3D gedruk. "Vir ons aanvanklike eksperimentele tenk het ons seskantige raamseksies 3D gedruk met behulp van polymelksuur [PLA, 'n bio-gebaseerde termoplastiek], want dit was maklik en goedkoop," het Glace gesê.
Die span het 68 pultruded koolstofvesel versterkte poliamied 6 (PA6) stawe van SGL Carbon (Meitingen, Duitsland) gekoop vir gebruik as bande. “Om die konsep te toets, het ons geen gietwerk gedoen nie,” sê Gleiss, “maar eenvoudig spasieerstukke in 'n 3D-gedrukte heuningkoekkernraam ingevoeg en dit met epoksiedom vasgeplak. Dit verskaf dan ’n deur om die tenk te wikkel.” Sy merk op dat hoewel hierdie stokke relatief maklik is om te wind, daar 'n paar beduidende probleme is wat later beskryf sal word.
"In die eerste stadium 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 met nat filamentwikkeling. Daarna, in die derde stap, buig ons die kop van elke trekstang. termoplasties, dus gebruik ons net hitte om die kop te hervorm sodat dit plat raak en in die eerste laag wikkel vassit. Ons gaan dan voort om die struktuur weer te draai sodat die plat drukkop geometries in die tenk ingesluit is. laminaat op die mure.
Spasieerdop vir opwinding. TUM gebruik plastiekdoppies aan die punte van die spanningstawe om te keer dat die vesels verstrengel raak tydens filamentwikkeling. 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 van die probleme wat ons teëgekom het. Byvoorbeeld, tydens wikkeling is die filamente deur die punte van die spanningstawe vasgevang, wat veselbreek, veselskade veroorsaak het en die hoeveelheid vesel verminder het om dit teë te werk. ons het 'n paar plastiekdoppies as vervaardigingshulpmiddels gebruik wat voor die eerste wikkelstap op die pale geplaas is. Toe, toe die interne laminate gemaak is, het ons hierdie beskermende doppies verwyder en die punte van die pale hervorm voordat dit finaal toegedraai is.”
Die span het met verskeie rekonstruksie-scenario's geëksperimenteer. “Diegene wat rondkyk werk die beste,” sê Grace. “Ons het ook tydens die prototiperingsfase 'n aangepaste sweiswerktuig gebruik om hitte toe te pas en die trekstaafpunte te hervorm. In 'n massaproduksiekonsep sal jy een groter gereedskap hê wat al die punte van die stutte terselfdertyd in 'n binneafwerkingslaminaat kan vorm en vorm. . ”
Trekstangkoppe hervorm. TUM het met verskillende konsepte geëksperimenteer en die sweislasse aangepas om die punte van die saamgestelde bande in lyn te bring om aan die tenkwandlaminaat te heg. Beeldkrediet: "Ontwikkeling van 'n produksieproses vir kubieke drukvate met stut", Tegniese Universiteit van München, Polymers4Hydrogen-projek, ECCM20, Junie 2022.
Die laminaat word dus na die eerste wikkelstap uitgehard, die pale word hervorm, die TUM voltooi die tweede wikkeling van die filamente, en dan word die buitenste tenkwandlaminaat 'n tweede keer gehard. Neem asseblief kennis dat dit 'n tipe 5-tenkontwerp is, wat beteken dit het nie 'n plastiekvoering as 'n gasversperring nie. Sien die bespreking in die Volgende stappe-afdeling hieronder.
"Ons het die eerste demonstrasie in dwarssnitte gesny en die gekoppelde area gekarteer," het Glace gesê. "'n Nabyskoot wys dat ons 'n paar kwaliteitsprobleme met die laminaat gehad het, met die stutkoppe wat nie plat op die binne-laminaat gelê het nie."
Los probleme op met gapings tussen die laminaat van die binne- en buitewande van die tenk. Die gewysigde trekstangkop 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 steeds 'n gaping tussen binne- en buitelaminaat," het Glace gesê. “Ons het dus probeer om daardie gapings met 'n skoon, hoëviskositeit hars te vul. Dit verbeter eintlik die verbinding tussen die studs en die laminaat, wat die meganiese spanning aansienlik verhoog.”
Die span het voortgegaan om die tenkontwerp en -proses te ontwikkel, insluitend oplossings vir die verlangde wikkelpatroon. "Die kante van die toetstenk was nie heeltemal gekrul nie, want dit was moeilik vir hierdie geometrie om 'n kronkelpad te skep," het Glace verduidelik. “Ons aanvanklike wikkelhoek was 75°, maar ons het geweet dat veelvuldige stroombane nodig was om die las in hierdie drukvat te hanteer. Ons soek steeds na 'n oplossing vir hierdie probleem, maar dit is nie maklik met die sagteware wat tans op die mark is nie. Dit kan dalk 'n opvolgprojek word.
“Ons het die uitvoerbaarheid van hierdie produksiekonsep gedemonstreer,” sê Gleiss, “maar ons moet verder werk om die verbinding tussen die laminaat te verbeter en die trekstawe te hervorm. “Eksterne toetsing op 'n toetsmasjien. Jy trek die spasies uit die laminaat en toets die meganiese ladings wat daardie lasse kan weerstaan.”
Hierdie deel van die Polymers4Hydrogen-projek sal aan die einde van 2023 voltooi wees, teen daardie tyd hoop Gleis om die tweede demonstrasietenk te voltooi. Interessant genoeg gebruik ontwerpe vandag netjiese versterkte termoplastiek in die raam en termoharde komposiete in die tenkwande. Sal hierdie hibriede benadering in die finale demonstrasietenk gebruik word? "Ja," het Grace gesê. "Ons vennote in die Polymers4Hydrogen-projek ontwikkel epoksieharse en ander saamgestelde matriksmateriale met beter waterstofversperringseienskappe." Sy noem 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-konformele saamgestelde tenk.
"Ons sal 'n konforme saamgestelde drukvat vir navorsingsdrones vervaardig," sê Jaeger. “Dit is 'n samewerking tussen die twee departemente van die Lugvaart- en Geodetiese Departement van TUM – LCC en die Departement van Helikoptertegnologie (HT). Die projek sal teen die einde van 2024 voltooi wees en ons is tans besig om die drukvat te voltooi. 'n ontwerp wat meer 'n lugvaart- en motorbenadering is. Na hierdie aanvanklike konsepstadium 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 hommeltuig met 'n hibriede brandstofsel en battery-aandrywingstelsel te ontwikkel," het hy voortgegaan. Dit sal die battery gebruik tydens hoë kragladings (dws opstyg en landing) en dan oorskakel na die brandstofsel tydens ligte vragvaart. "Die HT-span het reeds 'n navorsingsdreun gehad en die aandryfstelsel 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 druktenk-prototipe te bou wat sou pas, maar nie as gevolg van die verpakkingskwessies wat 'n silindriese tenk sou skep nie," verduidelik hy. “'n Platter tenk bied nie soveel windweerstand nie. So jy kry beter vlugprestasie.” Tenkafmetings ongeveer. 830 x 350 x 173 mm.
Ten volle termoplastiese AFP voldoen tenk. Vir die HyDDen-projek het die LCC-span by TUM aanvanklik 'n soortgelyke benadering as dié wat Glace gebruik het (hierbo) ondersoek, maar toe oorgegaan na 'n benadering wat 'n kombinasie van verskeie strukturele modules gebruik, wat toe oorgebruik is met behulp van AFP (hieronder). Beeldkrediet: Tegniese Universiteit van München LCC.
“Een idee is soortgelyk aan Elisabeth [Gleiss] se benadering,” sê Yager, “om spanstutte aan die vaartuigwand toe te pas om te kompenseer vir die hoë buigkragte. In plaas daarvan om 'n wikkelproses te gebruik om die tenk te maak, gebruik ons egter 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 eindkap aan te bring om alles te verseël voor die finale AFP-wikkeling.
"Ons probeer om so 'n konsep te finaliseer," het hy voortgegaan, "en begin ook om die keuse van materiale te toets, wat baie belangrik is om die nodige weerstand teen H2-gaspenetrasie te verseker. Hiervoor gebruik ons hoofsaaklik termoplastiese materiale en werk aan verskeie 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 waterstofpermeasie deur die drukvat sal beïnvloed.”
Die tenk sal geheel en al van termoplast gemaak word en die stroke sal deur Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Duitsland) verskaf word. "Ons sal hul PPS [polifenyleensulfied], PEEK [polyether keton] en LM PAEK [lae smeltende polyaryl keton] materiale gebruik," het Yager gesê. "Vergelykings word dan getref om te sien watter een die beste is vir penetrasiebeskerming en om onderdele met beter werkverrigting te produseer." Hy hoop om toetsing, strukturele en prosesmodellering en eerste demonstrasies binne die volgende jaar te voltooi.
Die navorsingswerk is uitgevoer binne die COMET-module "Polymers4Hydrogen" (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 Competence Centre Leoben GmbH (PCCL, Oostenryk), Montanuniversitaet Leoben (Fakulteit Polimeeringenieurswese en Wetenskap, Departement Chemie van Polimeermateriale, Departement Materiaalwetenskap en Polimeertoetsing), Universiteit van Tampere (Fakulteit Ingenieurswese) Materiaal). ) Science), Peak Technology en Faurecia het tot hierdie navorsingswerk bygedra. COMET-Modul word befonds deur die regering van Oostenryk en die regering van die deelstaat Stiermarken.
Vooraf versterkte velle vir draende strukture bevat aaneenlopende vesels – nie net van glas nie, maar ook van koolstof en aramide.
Daar is baie maniere om saamgestelde dele te maak. Daarom sal die keuse van metode vir 'n spesifieke onderdeel 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 herwonne koolstofveselvoorsieningsketting wat geen slagting, laer koste as suiwer vesel bied en uiteindelik lengtes sal bied wat aaneenlopende vesel in strukturele eienskappe benader.
Postyd: 15-Mrt-2023