BEV və FCEV-lər üçün standart düz platformalı çənlər 25% daha çox H2 saxlama təmin edən skelet konstruksiyalı termoplastik və termoset kompozitlərdən istifadə edir. #hidrogen #trendlər
BMW ilə əməkdaşlıq bir kub çənin çoxsaylı kiçik silindrlərdən daha yüksək həcmli səmərəlilik verə biləcəyini göstərdikdən sonra Münhen Texniki Universiteti seriyalı istehsal üçün kompozit struktur və miqyaslı istehsal prosesini inkişaf etdirmək layihəsinə başladı. Şəkil krediti: TU Drezden (yuxarıda solda), Münhen Texniki Universiteti, Karbon Kompozitləri Departamenti (LCC)
Sıfır emissiyalı (H2) hidrogenlə işləyən yanacaq hüceyrəli elektrik avtomobilləri (FCEVs) sıfır ətraf mühit hədəflərinə nail olmaq üçün əlavə vasitələr təmin edir. H2 mühərriki olan yanacaq elementli minik avtomobili 5-7 dəqiqəyə doldurula bilər və 500 km məsafəyə malikdir, lakin istehsal həcminin aşağı olması səbəbindən hazırda daha bahalıdır. Xərcləri azaltmağın bir yolu BEV və FCEV modelləri üçün standart platformadan istifadə etməkdir. Bu, hazırda mümkün deyil, çünki FCEV-lərdə sıxılmış H2 qazını (CGH2) 700 barda saxlamaq üçün istifadə edilən 4-cü tip silindrik çənlər elektrik avtomobilləri üçün diqqətlə hazırlanmış gövdəaltı akkumulyator bölmələri üçün uyğun deyil. Bununla belə, yastıq və kublar şəklində təzyiq gəmiləri bu düz qablaşdırma sahəsinə sığa bilər.
1995-ci ildə Thiokol Corp. tərəfindən verilmiş ərizə (solda) və 2009-cu ildə BMW tərəfindən patentləşdirilmiş düzbucaqlı təzyiqli gəmi (sağda) üçün patent US5577630A "Kompozit Konformal Təzyiqli Gəmi".
Münhen Texniki Universitetinin (TUM, Münhen, Almaniya) Karbon Kompozitləri Departamenti (LCC) bu konsepsiyanı inkişaf etdirmək üçün iki layihədə iştirak edir. Birincisi, Leoben Polimer Səlahiyyət Mərkəzinin (PCCL, Leoben, Avstriya) rəhbərlik etdiyi Polymers4Hydrogen (P4H). LCC iş paketinə Fellow Elizabeth Glace rəhbərlik edir.
İkinci layihə, LCC-yə Tədqiqatçı Christian Jaeger tərəfindən rəhbərlik etdiyi Hidrogenin nümayişi və inkişafı mühitidir (HyDDen). Hər ikisi karbon lifli kompozitlərdən istifadə edərək uyğun bir CGH2 tankı hazırlamaq üçün istehsal prosesinin geniş miqyaslı nümayişini yaratmağı hədəfləyir.
Kiçik diametrli silindrlər düz akkumulyator hüceyrələrində (solda) və polad laynerlərdən və karbon lif/epoksi kompozit xarici qabıqdan (sağda) hazırlanmış kub tipli 2 təzyiqli qablarda quraşdırıldıqda məhdud həcmli səmərəlilik var. Şəkil Mənbəsi: Şəkillər 3 və 6 Ruf və Zaremba və digərlərinin “Daxili gərginlikli ayaqları olan II tip təzyiq qutusu qabının ədədi dizayn yanaşması”ndandır.
P4H, karbon liflə gücləndirilmiş epoksi ilə bükülmüş kompozit gərginlik qayışları/strutsları olan termoplastik çərçivədən istifadə edən eksperimental kub çəni hazırlamışdır. HyDDen oxşar dizayndan istifadə edəcək, lakin bütün termoplastik kompozit çənlərin istehsalı üçün avtomatik lif layoutundan (AFP) istifadə edəcək.
Thiokol Corp.-un patent müraciətindən 1995-ci ildə “Kompozit Konformal Təzyiqli Qab”a qədər, 1997-ci ildə Alman Patenti DE19749950C2-ə qədər sıxılmış qaz qabları “hər hansı həndəsi konfiqurasiyaya” malik ola bilər, lakin xüsusilə düz və qeyri-müntəzəm formalarda, qabıq dəstəyinə bağlı boşluqda . elementlərdən elə istifadə edilir ki, onlar qazın genişlənmə qüvvəsinə tab gətirə bilsinlər.
2006-cı ildə Lawrence Livermore Milli Laboratoriyası (LLNL) sənədində üç yanaşma təsvir edilmişdir: iplə sarılmış konformal təzyiq qabı, nazik divarlı H2 konteyneri ilə əhatə olunmuş daxili ortoromb qəfəs strukturu (2 sm və ya daha kiçik kiçik hüceyrələr) olan mikroşəbəkəli təzyiq qabı, və yapışdırılmış kiçik hissələrdən (məsələn, altıbucaqlı plastik üzüklər) və nazik xarici qabıq qabığının tərkibindən ibarət daxili strukturdan ibarət olan replikator konteyneri. Dublikat konteynerlər ənənəvi üsulların tətbiqinin çətin ola biləcəyi daha böyük konteynerlər üçün ən uyğundur.
2009-cu ildə Volkswagen tərəfindən verilmiş DE102009057170A patenti kosmosdan istifadəni yaxşılaşdırarkən yüksək çəki səmərəliliyini təmin edəcək avtomobilə quraşdırılmış təzyiqli gəmini təsvir edir. Düzbucaqlı tanklar iki düzbucaqlı əks divar arasında gərginlik bağlayıcılarından istifadə edir və künclər yuvarlaqlaşdırılır.
Yuxarıdakı və digər anlayışlar Gleiss tərəfindən Gleiss et al tərəfindən "Uzanan çubuqlu kubik təzyiqli gəmilər üçün prosesin inkişafı" adlı məqalədə göstərilmişdir. ECCM20-də (26-30 iyun 2022, Lozanna, İsveçrə). Bu məqalədə o, Michael Roof və Sven Zaremba tərəfindən nəşr olunan TUM tədqiqatından sitat gətirir, bu araşdırmaya əsasən, düzbucaqlı tərəfləri birləşdirən gərginlik dayaqları olan kubik təzyiqli gəmi, düz bir batareyanın boşluğuna uyğun gələn bir neçə kiçik silindrdən daha səmərəlidir və təxminən 25 boşluq təmin edir. % daha çox. saxlama yeri.
Gleiss-in fikrincə, çoxlu sayda kiçik tipli 4 silindrlərin düz korpusa quraşdırılmasında problem ondan ibarətdir ki, “silindrlər arasında həcm xeyli azalır və sistem həm də çox böyük H2 qaz keçirmə səthinə malikdir. Ümumilikdə sistem kubik qablardan daha az saxlama qabiliyyəti təmin edir.”
Bununla belə, tankın kub dizaynı ilə bağlı başqa problemlər də var. "Aydındır ki, sıxılmış qaza görə düz divarlardakı əyilmə qüvvələrinə qarşı durmalısınız" dedi Gleiss. “Bunun üçün tankın divarları ilə daxili birləşən gücləndirilmiş konstruksiya lazımdır. Amma kompozitlərlə bunu etmək çətindir”.
Glace və onun komandası sıxıcı gərmə çubuqlarını filament sarma prosesi üçün uyğun olacaq şəkildə təzyiq qabına daxil etməyə çalışdı. "Bu, yüksək həcmli istehsal üçün vacibdir," o izah edir, "həmçinin zonadakı hər bir yük üçün lif oriyentasiyasını optimallaşdırmaq üçün konteyner divarlarının dolama modelini dizayn etməyə imkan verir."
P4H layihəsi üçün sınaq kubik kompozit tank hazırlamaq üçün dörd addım. Şəkil krediti: “Kubik təzyiqli qablar üçün istehsal prosesinin işlənib hazırlanması”, Münhen Texniki Universiteti, Polymers4Hydrogen layihəsi, ECCM20, İyun 2022.
Zəncir üzərində nail olmaq üçün komanda yuxarıda göstərildiyi kimi dörd əsas addımdan ibarət yeni konsepsiya hazırlayıb. Pilləkənlərdə qara rənglə göstərilən gərginlik dayaqları MAI Skelett layihəsindən götürülmüş üsullarla hazırlanmış prefabrik çərçivə strukturudur. Bu layihə üçün BMW dörd liflə gücləndirilmiş pultrusion çubuqlardan istifadə edərək ön şüşə çərçivəsi "çərçivəsi" hazırladı və daha sonra plastik çərçivəyə qəlibləndi.
Eksperimental kub çənin çərçivəsi. Gücləndirilməmiş PLA filamentindən (yuxarıda) istifadə edərək TUM tərəfindən çap edilmiş altıbucaqlı skelet bölmələri 3D, CF/PA6 pultruzyon çubuqlarını gərginlik mötərizələri (ortada) kimi yerləşdirir və sonra filamenti mötərizələrə (aşağıda) bükür. Şəkil krediti: Münhen Texniki Universiteti LCC.
"İdeya ondan ibarətdir ki, bir kub çənin çərçivəsini modul quruluş kimi qura bilərsiniz" dedi Glace. "Bu modullar daha sonra qəlibləmə alətinə yerləşdirilir, gərginlik dayaqları çərçivə modullarına yerləşdirilir və sonra MAI Skelett metodu onları çərçivə hissələri ilə birləşdirmək üçün dayaqların ətrafında istifadə olunur." kütləvi istehsal üsulu, daha sonra saxlama tankının kompozit qabığını sarmaq üçün bir mandrel və ya nüvə kimi istifadə olunan bir quruluşla nəticələnir.
TUM çən çərçivəsini bərk tərəfləri, yuvarlaq küncləri və yuxarı və aşağı altıbucaqlı naxışlı kub “yastıq” kimi dizayn etmişdir ki, onun vasitəsilə bağların taxılması və bərkidilməsi mümkündür. Bu rəflər üçün dəliklər də 3D çap edilib. "İlkin eksperimental tankımız üçün biz polilaktik turşudan [PLA, bio-əsaslı termoplastik] istifadə edərək 3D çaplı altıbucaqlı çərçivə bölmələrini çap etdik, çünki bu, asan və ucuz idi" dedi Glace.
Komanda bağ kimi istifadə üçün SGL Carbondan (Meitingen, Almaniya) 68 pultruded karbon lifi ilə gücləndirilmiş poliamid 6 (PA6) çubuqlar alıb. “Konsepti sınamaq üçün biz heç bir qəlibləmə etmədik,” Qleiss deyir, “amma sadəcə olaraq 3D çap edilmiş pətək əsas çərçivəsinə boşluqları yerləşdirdik və onları epoksi yapışqanla yapışdırdıq. Bu, daha sonra çəni sarmaq üçün mandrel təmin edir.” O qeyd edir ki, bu çubuqlar nisbətən asan külək olsa da, daha sonra təsvir ediləcək bəzi əhəmiyyətli problemlər var.
"Birinci mərhələdə məqsədimiz dizaynın istehsal qabiliyyətini nümayiş etdirmək və istehsal konsepsiyasındakı problemləri müəyyən etmək idi" dedi Qleiss. "Beləliklə, gərginlik dayaqları skelet quruluşunun xarici səthindən çıxır və biz karbon liflərini yaş filament sarğıdan istifadə edərək bu nüvəyə bağlayırıq. Bundan sonra, üçüncü addımda, hər bir bağlama çubuğunun başını əyirik. termoplastikdir, buna görə də biz sadəcə istidən başın formasını dəyişdirmək üçün istifadə edirik ki, o, düzləşsin və ilk sarğı təbəqəsinə yapışsın. Sonra strukturu yenidən sarmağa davam edirik ki, düz itmə başlığı həndəsi olaraq tankın içərisinə daxil olsun. divarlarda laminat.
Sarma üçün ara qapaq. TUM, filamentin sarılması zamanı liflərin dolaşmasının qarşısını almaq üçün gərginlik çubuqlarının uclarında plastik qapaqlardan istifadə edir. Şəkil krediti: Münhen Texniki Universiteti LCC.
Glace bu ilk tankın konsepsiyanın sübutu olduğunu təkrarladı. “3D çap və yapışqandan istifadə yalnız ilkin sınaq üçün idi və bizə qarşılaşdığımız bəzi problemlər haqqında fikir verdi. Məsələn, sarma zamanı filamentlər gərginlik çubuqlarının uclarından tutuldu, lifin qırılmasına, lifin zədələnməsinə və buna qarşı çıxmaq üçün lifin miqdarının azalmasına səbəb oldu. İlk sarma mərhələsindən əvvəl dirəklərin üzərinə qoyulmuş bir neçə plastik qapaqdan istehsalat vasitəsi kimi istifadə etdik. Sonra daxili laminatlar hazırlandıqdan sonra bu qoruyucu qapaqları çıxardıq və son bükmədən əvvəl dirəklərin uclarını dəyişdirdik”.
Komanda müxtəlif rekonstruksiya ssenariləri ilə sınaqdan keçirdi. Qreys deyir: “Ətrafına baxanlar ən yaxşı işləyirlər”. “Həmçinin, prototipləşdirmə mərhələsində istilik tətbiq etmək və bağlayıcı çubuğun uclarını yenidən formalaşdırmaq üçün dəyişdirilmiş qaynaq alətindən istifadə etdik. Kütləvi istehsal konsepsiyasında, siz eyni vaxtda dayaqların bütün uclarını daxili bitirmə laminatına çevirə və formalaşdıra bilən daha böyük bir alətə sahib olacaqsınız. . ”
Çəkmə çubuğu başlıqları yenidən formalaşdırıldı. TUM müxtəlif konsepsiyalarla sınaqdan keçirdi və çən divarının laminatına yapışdırmaq üçün kompozit bağların uclarını uyğunlaşdırmaq üçün qaynaqları dəyişdirdi. Şəkil krediti: “Kubik təzyiqli qablar üçün istehsal prosesinin işlənib hazırlanması”, Münhen Texniki Universiteti, Polymers4Hydrogen layihəsi, ECCM20, İyun 2022.
Beləliklə, laminat birinci sarma addımından sonra bərkidilir, dirəklər yenidən formalaşdırılır, TUM filamentlərin ikinci sarımını tamamlayır və sonra xarici tank divarının laminatı ikinci dəfə müalicə olunur. Nəzərə alın ki, bu tip 5 tank dizaynıdır, yəni qaz maneəsi kimi plastik layneri yoxdur. Aşağıdakı Növbəti Addımlar bölməsində müzakirəyə baxın.
"Biz ilk nümayişi kəsiklərə ayırdıq və əlaqəli ərazinin xəritəsini çəkdik" dedi Glace. “Yaxın çəkiliş göstərir ki, laminatla bağlı bəzi keyfiyyət problemlərimiz var, dayaq başlıqları daxili laminatın üzərinə düz qoyulmayıb.”
Tankın daxili və xarici divarlarının laminatı arasındakı boşluqlarla bağlı problemlərin həlli. Dəyişdirilmiş bağlayıcı başlıq eksperimental tankın birinci və ikinci növbələri arasında boşluq yaradır. Şəkil krediti: Münhen Texniki Universiteti LCC.
Bu ilkin 450 x 290 x 80 mm tank keçən yay tamamlandı. "Biz o vaxtdan bəri çox irəliləyiş əldə etdik, lakin bizdə hələ də daxili və xarici laminat arasında boşluq var" dedi Glace. “Beləliklə, biz bu boşluqları təmiz, yüksək özlülüklü qatranla doldurmağa çalışdıq. Bu, əslində dirəklərlə laminat arasındakı əlaqəni yaxşılaşdırır, bu da mexaniki gərginliyi xeyli artırır.
Komanda tankın dizaynını və prosesini, o cümlədən istədiyiniz dolama nümunəsi üçün həlləri inkişaf etdirməyə davam etdi. "Sınaq çəninin kənarları tam bükülməmişdi, çünki bu həndəsə üçün dolama yolu yaratmaq çətin idi" dedi Glace. “Bizim ilkin dolama bucağımız 75° idi, lakin biz bilirdik ki, bu təzyiq qabındakı yükü qarşılamaq üçün çoxlu dövrə lazımdır. Biz hələ də bu problemin həllini axtarırıq, lakin hazırda bazarda olan proqram təminatı ilə bu asan deyil. Bu, növbəti layihəyə çevrilə bilər.
"Biz bu istehsal konsepsiyasının mümkünlüyünü nümayiş etdirdik," Qleiss deyir, "lakin laminat arasındakı əlaqəni yaxşılaşdırmaq və bağlayıcı çubuqları yenidən formalaşdırmaq üçün daha çox işləməliyik. “Sınaq maşınında xarici sınaq. Siz ayırıcıları laminatdan çıxarın və bu birləşmələrin tab gətirə biləcəyi mexaniki yükləri yoxlayın.
Polymers4Hydrogen layihəsinin bu hissəsi 2023-cü ilin sonunda tamamlanacaq və bu vaxta qədər Gleis ikinci nümayiş tankını tamamlamağa ümid edir. Maraqlıdır ki, bu gün dizaynlar çərçivədə səliqəli gücləndirilmiş termoplastiklərdən və tank divarlarında termoset kompozitlərdən istifadə edir. Bu hibrid yanaşma son nümayiş tankında istifadə olunacaqmı? "Bəli" dedi Qreys. "Polymers4Hydrogen layihəsindəki tərəfdaşlarımız daha yaxşı hidrogen maneə xüsusiyyətlərinə malik epoksi qatranları və digər kompozit matris materialları hazırlayır." O, bu iş üzərində işləyən iki tərəfdaşı sadalayır, PCCL və Tampere Universiteti (Tampere, Finlandiya).
Gleiss və onun komandası həmçinin LCC konformal kompozit tankından ikinci HyDDen layihəsi haqqında Jaeger ilə məlumat mübadiləsi aparıb və fikirləri müzakirə ediblər.
"Biz tədqiqat dronları üçün uyğun kompozit təzyiqli gəmi istehsal edəcəyik" dedi Jaeger. “Bu, TUM-un Aerokosmik və Geodeziya Departamentinin iki departamenti – LCC və Helikopter Texnologiyaları Departamenti (HT) arasında əməkdaşlıqdır. Layihə 2024-cü ilin sonuna qədər tamamlanacaq və biz hazırda təzyiqli gəmini tamamlayırıq. daha çox aerokosmik və avtomobil yanaşması olan dizayn. Bu ilkin konsepsiya mərhələsindən sonra növbəti addım ətraflı struktur modelləşdirmə aparmaq və divar strukturunun maneə performansını proqnozlaşdırmaqdır”.
“Bütün ideya hibrid yanacaq elementi və akkumulyatorun hərəkət sistemi ilə kəşfiyyat xarakterli pilotsuz uçan aparat hazırlamaqdır”, - o, davam etdi. O, yüksək güc yükləri (yəni qalxma və enmə) zamanı batareyadan istifadə edəcək və daha sonra yüngül yüklə səyahət zamanı yanacaq elementinə keçəcək. Yeager, "HT komandasının artıq bir araşdırma pilotsuz təyyarəsi var idi və həm akkumulyatorlardan, həm də yanacaq elementlərindən istifadə etmək üçün güc aqreqatını yenidən dizayn etdi" dedi. "Bu ötürülməni sınaqdan keçirmək üçün CGH2 tankı da aldılar."
"Komandama uyğun olacaq təzyiq çəni prototipi yaratmaq tapşırılmışdı, lakin silindrik bir çənin yarada biləcəyi qablaşdırma problemlərinə görə deyil" deyə izah edir. “Daha düz bir tank küləyə o qədər də müqavimət göstərmir. Beləliklə, daha yaxşı uçuş performansı əldə edirsiniz." Tank ölçüləri təqribən. 830 x 350 x 173 mm.
Tam termoplastik AFP uyğun tank. HyDDen layihəsi üçün TUM-dakı LCC komandası əvvəlcə Glace (yuxarıda) tərəfindən istifadə edilən oxşar yanaşmanı araşdırdı, lakin sonra AFP istifadə edərək (aşağıda) həddindən artıq istifadə edilən bir neçə struktur modulun birləşməsindən istifadə edərək yanaşmaya keçdi. Şəkil krediti: Münhen Texniki Universiteti LCC.
“Bir fikir Elizabetin [Gleiss-in] yanaşmasına bənzəyir,” Yager deyir, “yüksək əyilmə qüvvələrini kompensasiya etmək üçün damar divarına gərginlik mötərizələri tətbiq etməkdir. Bununla belə, tankı hazırlamaq üçün bir sarma prosesindən istifadə etmək əvəzinə, biz AFP-dən istifadə edirik. Buna görə də, rafların artıq birləşdirildiyi təzyiq qabının ayrı bir hissəsini yaratmağı düşündük. Bu yanaşma mənə bu inteqrasiya olunmuş modullardan bir neçəsini birləşdirməyə və sonra AFP-nin son sarımından əvvəl hər şeyi möhürləmək üçün son qapağı tətbiq etməyə imkan verdi.
"Biz belə bir konsepsiyanı yekunlaşdırmağa çalışırıq," o davam etdi, "həmçinin H2 qazının nüfuz etməsinə lazımi müqaviməti təmin etmək üçün çox vacib olan materialların seçilməsini sınaqdan keçirməyə başlayırıq. Bunun üçün biz əsasən termoplastik materiallardan istifadə edirik və materialın AFP maşınında bu nüfuzetmə davranışına və emalına necə təsir edəcəyi üzərində işləyirik. Müalicənin təsirli olub olmadığını və hər hansı bir sonrakı emal tələb olunduğunu anlamaq vacibdir. Biz həmçinin müxtəlif yığınların təzyiq qabı vasitəsilə hidrogen keçirməsinə təsir edib-etməyəcəyini bilmək istəyirik.
Tank tamamilə termoplastikdən hazırlanacaq və zolaqlar Teijin Carbon Europe GmbH (Vuppertal, Almaniya) tərəfindən təmin ediləcək. "Biz onların PPS [polifenilen sulfid], PEEK [polieter keton] və LM PAEK [aşağı əriyən poliaril keton] materiallarından istifadə edəcəyik" dedi Yager. "Daha sonra hansının nüfuzdan qorunmaq və daha yaxşı performansa malik hissələri istehsal etmək üçün daha yaxşı olduğunu görmək üçün müqayisələr aparılır." O, növbəti il ərzində sınaq, struktur və proses modelləşdirmə və ilk nümayişləri başa çatdırmağa ümid edir.
Tədqiqat işi İqlim Dəyişikliyi, Ətraf Mühit, Enerji, Mobillik, İnnovasiyalar və Texnologiyalar üzrə Federal Nazirliyinin və Rəqəmsal Texnologiya və İqtisadiyyat üzrə Federal Nazirliyinin COMET proqramı çərçivəsində “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) COMET modulu çərçivəsində aparılmışdır. . Müəlliflər iştirak edən tərəfdaşlara Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Avstriya), Montanuniversitaet Leoben (Polimer Mühəndisliyi və Elm Fakültəsi, Polimer Materiallar Kimyası Departamenti, Material Elm və Polimer Sınaq Departamenti), Tampere Universitetinə (Mühəndislik Fakültəsi) təşəkkür edir. materiallar). ) Elm), Peak Technology və Faurecia bu tədqiqat işinə töhfə verdi. COMET-Modul Avstriya hökuməti və Ştiriya əyalətinin hökuməti tərəfindən maliyyələşdirilir.
Yükdaşıyan strukturlar üçün əvvəlcədən möhkəmləndirilmiş təbəqələr davamlı liflərdən ibarətdir - təkcə şüşədən deyil, həm də karbondan və aramiddən.
Kompozit hissələri düzəltməyin bir çox yolu var. Buna görə də, müəyyən bir hissə üçün metodun seçimi materialdan, hissənin dizaynından və son istifadədən və ya tətbiqdən asılı olacaq. Budur seçim bələdçisi.
Shocker Composites və R&M International, sıfır kəsim, bakirə lifdən daha aşağı qiymət təmin edən və nəhayət struktur xüsusiyyətlərində davamlı lifə yaxınlaşan uzunluqlar təklif edən təkrar emal edilmiş karbon lifi təchizat zəncirini inkişaf etdirir.
Göndərmə vaxtı: 15 mart 2023-cü il