У стандартных баках з плоскай платформай для BEV і FCEV выкарыстоўваюцца тэрмапластычныя і тэрмарэактыўныя кампазіты з каркаснай канструкцыяй, якая забяспечвае на 25% больш захоўвання H2. #вадародныя #тэндэнцыі
Пасля таго, як супрацоўніцтва з BMW паказала, што кубічны бак можа забяспечыць больш высокую аб'ёмную эфектыўнасць, чым некалькі невялікіх цыліндраў, Мюнхенскі тэхнічны універсітэт прыступіў да праекта па распрацоўцы кампазітнай структуры і маштабаванага вытворчага працэсу для серыйнай вытворчасці. Аўтар выявы: TU Dresden (уверсе) злева), Мюнхенскі тэхнічны ўніверсітэт, кафедра вугляродных кампазітаў (LCC)
Электрамабілі на паліўных элементах (FCEV), якія працуюць на вадародзе з нулявым выкідам (H2), забяспечваюць дадатковыя сродкі для дасягнення нулявых экалагічных мэтаў. Легкавы аўтамабіль на паліўных элементах з рухавіком H2 запраўляецца за 5-7 хвілін і мае запас ходу 500 км, але ў цяперашні час каштуе даражэй з-за нізкіх аб'ёмаў вытворчасці. Адзін са спосабаў зніжэння выдаткаў - выкарыстанне стандартнай платформы для мадэляў BEV і FCEV. У цяперашні час гэта немагчыма, таму што цыліндрычныя рэзервуары тыпу 4, якія выкарыстоўваюцца для захоўвання сціснутага газу H2 (CGH2) пры 700 бар у FCEV, не падыходзяць для батарэйных адсекаў унізе кузава, якія былі старанна распрацаваны для электрамабіляў. Аднак ёмістасці пад ціскам у выглядзе падушак і кубоў могуць змясціцца ў гэтую плоскую ўпаковачную прастору.
Патэнт US5577630A на «Кампазітны канформны сасуд пад ціскам», заяўка, пададзеная Thiokol Corp. у 1995 г. (злева) і прамавугольны сасуд пад ціскам, запатэнтаваны BMW у 2009 г. (справа).
Аддзел вугляродных кампазітаў (LCC) Мюнхенскага тэхнічнага ўніверсітэта (TUM, Мюнхен, Германія) удзельнічае ў двух праектах па распрацоўцы гэтай канцэпцыі. Першы - Polymers4Hydrogen (P4H), які ўзначальвае Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Леабен, Аўстрыя). Працоўны пакет LCC узначальвае супрацоўнік Элізабэт Глейс.
Другі праект - гэта асяроддзе дэманстрацыі і распрацоўкі вадароду (HyDDen), дзе LCC вядзе даследчык Крысціян Ягер. Абодва нацэлены на стварэнне шырокамаштабнай дэманстрацыі вытворчага працэсу для стварэння падыходнага рэзервуара CGH2 з выкарыстаннем кампазітных матэрыялаў з вугляроднага валакна.
Аб'ёмная эфектыўнасць абмежаваная, калі цыліндры малога дыяметра ўсталёўваюцца ў плоскія акумулятарныя элементы (злева) і кубічныя ёмістасці пад ціскам тыпу 2, зробленыя са сталёвых гільзаў і знешняй абалонкі з вугляроднага валакна/эпаксіднага кампазітнага матэрыялу (справа). Крыніца выявы: малюнкі 3 і 6 узяты з «Падыходу да лічбавага праектавання для ёмістасці з напорнай скрынкай тыпу II з ножкамі ўнутранага нацяжэння» Руфа і Зарэмбы і інш.
Кампанія P4H вырабіла эксперыментальны кубічны танк, у якім выкарыстоўваецца тэрмапластычная рама з кампазітнымі нацяжнымі рамянямі/распоркамі, загорнутымі ў армаваную вугляродным валакном эпаксідную смалу. HyDDen будзе выкарыстоўваць падобную канструкцыю, але будзе выкарыстоўваць аўтаматычную кладку валакна (AFP) для вытворчасці ўсіх тэрмапластычных кампазітных рэзервуараў.
Ад заяўкі на патэнт Thiokol Corp. на «Кампазітны канформны сасуд пад ціскам» у 1995 годзе да патэнта Германіі DE19749950C2 у 1997 годзе, ёмістасці са сціснутым газам «могуць мець любую геаметрычную канфігурацыю», але асабліва плоскія і няправільныя формы, у паражніны, злучанай з апорай корпуса . элементы выкарыстоўваюцца так, каб яны маглі супрацьстаяць сіле пашырэння газу.
Дакумент Лівермарскай нацыянальнай лабараторыі імя Лоўрэнса (LLNL) 2006 г. апісвае тры падыходы: канформны сасуд пад ціскам, накручаны на нітку, мікрарашоткавы сасуд пад ціскам, які змяшчае ўнутраную рамбічную структуру рашоткі (невялікія ячэйкі памерам 2 см або менш), акружаны танкасценным кантэйнерам H2, і кантэйнер-рэплікатар, які складаецца з унутранай структуры, якая складаецца з злепленых дробных частак (напрыклад, шасцікутных пластыкавых кольцаў) і кампазіцыі з тонкай вонкавай абалонкі. Дублікаты кантэйнераў лепш за ўсё падыходзяць для вялікіх кантэйнераў, дзе традыцыйныя метады цяжка прымяніць.
Патэнт DE102009057170A, пададзены Volkswagen у 2009 годзе, апісвае ўсталяваны ў аўтамабілі ёмістасць пад ціскам, якая забяспечвае высокую эфектыўнасць вагі пры адначасовым паляпшэнні выкарыстання прасторы. Прастакутныя рэзервуары выкарыстоўваюць нацяжныя злучальнікі паміж двума прамавугольнымі супрацьлеглымі сценкамі, а куты закругленыя.
Вышэйзгаданыя і іншыя канцэпцыі прыводзяцца Глайсам у артыкуле «Распрацоўка працэсу кубічных сасудаў пад ціскам з эластычнымі стрыжнямі» Глейса і інш. на ECCM20 (26-30 чэрвеня 2022 г., Лазана, Швейцарыя). У гэтым артыкуле яна цытуе даследаванне TUM, апублікаванае Майклам Руфам і Свенам Зарэмба, якое паказала, што кубічны сасуд пад ціскам з нацяжнымі стойкамі, якія злучаюць прастакутныя бакі, больш эфектыўны, чым некалькі невялікіх цыліндраў, якія ўпісваюцца ў прастору плоскай батарэі, забяспечваючы прыблізна 25 % больш. месца для захоўвання.
Па словах Глайса, праблема з устаноўкай вялікай колькасці малых цыліндраў тыпу 4 у плоскім корпусе заключаецца ў тым, што «аб'ём паміж цыліндрамі значна памяншаецца, і сістэма таксама мае вельмі вялікую паверхню пранікнення газу H2. У цэлым сістэма забяспечвае меншую ёмістасць для захоўвання, чым кубічныя банкі».
Аднак ёсць і іншыя праблемы кубічнай канструкцыі танка. «Відавочна, што з-за сціснутага газу вам трэба супрацьстаяць сілам выгібу на плоскіх сценах», - сказаў Глейс. «Для гэтага патрэбна ўзмоцненая канструкцыя, якая ўнутрана злучаецца са сценкамі рэзервуара. Але з кампазітамі гэта зрабіць цяжка».
Глейс і яе каманда паспрабавалі ўключыць арматурныя стрыжні ў ёмістасць пад ціскам такім чынам, каб гэта было прыдатным для працэсу намоткі ніткі. «Гэта важна для вытворчасці вялікіх аб'ёмаў, - тлумачыць яна, - а таксама дазваляе распрацаваць малюнак намотвання сценак кантэйнера, каб аптымізаваць арыентацыю валокнаў для кожнай нагрузкі ў зоне».
Чатыры этапы вырабу пробнага кубічнага кампазітнага танка для праекта P4H. Аўтар выявы: «Распрацоўка вытворчага працэсу для кубічных сасудаў пад ціскам з расцяжкай», Мюнхенскі тэхнічны ўніверсітэт, праект Polymers4Hydrogen, ECCM20, чэрвень 2022 г.
Каб дасягнуць ланцужка, каманда распрацавала новую канцэпцыю, якая складаецца з чатырох асноўных этапаў, як паказана вышэй. Нацяжныя стойкі, паказаныя чорным колерам на прыступках, уяўляюць сабой зборную каркасную канструкцыю, вырабленую метадамі, узятымі з праекта MAI Skelett. Для гэтага праекта BMW распрацавала «каркас» рамы лабавога шкла з выкарыстаннем чатырох армаваных валакном пултрузійных стрыжняў, якія затым былі адлітыя ў пластыкавую раму.
Рама эксперыментальнага кубічнага танка. Шасцігранныя шкілетныя разрэзы, надрукаваныя TUM у 3D з выкарыстаннем неармаванай ніткі PLA (уверсе), устаўкі пултрузійных стрыжняў CF/PA6 у якасці расцяжак (пасярэдзіне), а затым абкручвання ніткі вакол дужак (унізе). Выява: Мюнхенскі тэхнічны ўніверсітэт LCC.
«Ідэя заключаецца ў тым, што вы можаце пабудаваць каркас кубічнага танка ў выглядзе модульнай канструкцыі», - сказаў Глейс. «Гэтыя модулі затым змяшчаюцца ў фармовачны інструмент, нацяжныя распоркі змяшчаюцца ў каркасныя модулі, а затым метад MAI Skelett выкарыстоўваецца вакол распорак, каб інтэграваць іх з часткамі каркаса». метад масавай вытворчасці, у выніку чаго ствараецца структура, якая затым выкарыстоўваецца ў якасці апраўкі або стрыжня для абкручвання кампазітнай абалонкі рэзервуара для захоўвання.
TUM спраектаваў раму танка ў выглядзе кубічнай «падушкі» з цвёрдымі бакамі, закругленымі кутамі і шасцікутным узорам уверсе і ўнізе, праз які можна ўставіць і прымацаваць сцяжкі. Адтуліны для гэтых стэлажоў таксама былі надрукаваныя на 3D. «Для нашага першапачатковага эксперыментальнага рэзервуара мы надрукавалі 3D шасцікутныя секцыі каркаса з выкарыстаннем полимолочной кіслаты [PLA, тэрмапластык на біялагічнай аснове], таму што гэта было проста і танна», — сказаў Глейс.
Каманда набыла 68 армаваных вугляродным валакном стрыжняў з поліаміду 6 (PA6) у SGL Carbon (Майтынген, Германія) для выкарыстання ў якасці сцяжак. «Каб праверыць гэтую канцэпцыю, мы не рабілі ніякага фармавання, - кажа Глайс, - а проста ўставілі пракладкі ў надрукаваную 3D-прынтам раму сотавага стрыжня і прыляпілі іх эпаксідным клеем. Затым гэта забяспечвае апраўку для намотвання бака». Яна адзначае, што, хоць гэтыя вуды адносна лёгка змотваць, ёсць некаторыя істотныя праблемы, якія будуць апісаны пазней.
«На першым этапе нашай мэтай было прадэманстраваць тэхналагічнасць канструкцыі і выявіць праблемы ў канцэпцыі вытворчасці», — растлумачыў Глейс. «Такім чынам, нацяжныя стойкі выступаюць з вонкавай паверхні шкілетнай канструкцыі, і мы прымацоўваем вугляродныя валакна да гэтага стрыжня з дапамогай вільготнай намоткі ніткі. Пасля гэтага трэцім крокам загінаем галоўку кожнай рулявой цягі. тэрмапластык, таму мы проста выкарыстоўваем цяпло, каб змяніць форму галавы так, каб яна стала гладкай і замацавалася ў першым слоі абгорткі. Затым мы зноў абгортваем канструкцыю так, каб плоская напорная галоўка была геаметрычна заключана ў бак. ламінат на сценах.
Распорка для намотвання. TUM выкарыстоўвае пластыкавыя каўпачкі на канцах нацяжных стрыжняў, каб прадухіліць зблытванне валокнаў падчас намотвання ніткі. Выява: Мюнхенскі тэхнічны ўніверсітэт LCC.
Глейс паўтарыў, што гэты першы танк быў доказам канцэпцыі. «Выкарыстанне 3D-друку і клею было толькі для першапачатковага тэставання і дало нам уяўленне аб некаторых праблемах, з якімі мы сутыкнуліся. Напрыклад, падчас намотвання ніткі былі захоплены канцамі нацяжных стрыжняў, што прывяло да разрыву валакна, яго пашкоджання і памяншэння колькасці валакна, каб супрацьстаяць гэтаму. мы выкарысталі некалькі пластыкавых каўпачкоў у якасці дапаможных вырабаў, якія былі размешчаны на слупах перад першым этапам намотвання. Затым, калі ўнутраны ламінат быў зроблены, мы знялі гэтыя ахоўныя каўпачкі і змянілі форму канцоў слупоў перад канчатковай абгорткай».
Каманда эксперыментавала з рознымі сцэнарыямі рэканструкцыі. «Лепш за ўсё працуюць тыя, хто глядзіць вакол сябе», — кажа Грэйс. «Акрамя таго, на этапе стварэння прататыпа мы выкарыстоўвалі мадыфікаваны зварачны інструмент для падачы цяпла і змены формы наканечнікаў рулявых цяг. У канцэпцыі масавай вытворчасці ў вас будзе адзін большы інструмент, які можа адначасова фармаваць усе канцы апор у ламінат для ўнутранага аздаблення. . »
Галоўкі дышла зменены. TUM эксперыментаваў з рознымі канцэпцыямі і змяніў зварныя швы, каб выраўнаваць канцы кампазітных сцяжак для мацавання да ламінату сценкі бака. Аўтар выявы: «Распрацоўка вытворчага працэсу для кубічных сасудаў пад ціскам з расцяжкай», Мюнхенскі тэхнічны ўніверсітэт, праект Polymers4Hydrogen, ECCM20, чэрвень 2022 г.
Такім чынам, ламінат отверждается пасля першага этапу намотвання, стойкі змяняюць форму, TUM завяршае другую намотку нітак, а затым ламінат вонкавай сценкі бака отверждается другі раз. Звярніце ўвагу, што гэта канструкцыя танка тыпу 5, што азначае, што ён не мае пластыкавай падкладкі ў якасці газавага бар'ера. Глядзіце абмеркаванне ў раздзеле "Наступныя крокі" ніжэй.
«Мы разрэзалі першую дэманстрацыю на папярочныя разрэзы і нанеслі на карту злучаную вобласць, — сказаў Глейс. «Буйны план паказвае, што ў нас былі некаторыя праблемы з якасцю ламінату: галоўкі распорак не ляжалі роўна на ўнутраным ламінаце».
Рашэнне праблем з зазорамі паміж ламінатам ўнутранай і вонкавай сценкамі ёмістасці. Мадыфікаваная галоўка рулявой цягі стварае зазор паміж першым і другім віткамі доследнага танка. Выява: Мюнхенскі тэхнічны ўніверсітэт LCC.
Гэты першапачатковы танк памерам 450 х 290 х 80 мм быў завершаны мінулым летам. «З тых часоў мы дасягнулі значнага прагрэсу, але ў нас усё яшчэ ёсць разрыў паміж унутраным і вонкавым ламінатам», - сказаў Глейс. «Таму мы паспрабавалі запоўніць гэтыя прабелы чыстай смалой з высокай глейкасцю. Гэта фактычна паляпшае злучэнне паміж шпількамі і ламінатам, што значна павялічвае механічную нагрузку».
Каманда працягвала распрацоўваць канструкцыю і працэс танка, уключаючы рашэнні для патрэбнай схемы намотвання. «Бакі выпрабавальнага танка не былі цалкам загнутыя, таму што для гэтай геаметрыі было цяжка стварыць звілісты шлях», — растлумачыў Глейс. «Наш першапачатковы вугал намоткі складаў 75°, але мы ведалі, што для задавальнення нагрузкі ў гэтай ёмістасці пад ціскам неабходна некалькі контураў. Мы ўсё яшчэ шукаем рашэнне гэтай праблемы, але гэта няпроста з праграмным забеспячэннем, якое цяпер даступна на рынку. Гэта можа стаць наступным праектам.
«Мы прадэманстравалі мэтазгоднасць гэтай вытворчай канцэпцыі, - кажа Глейс, - але нам трэба працаваць далей, каб палепшыць злучэнне паміж ламінатам і змяніць форму рулявых цяг. «Знешняе тэсціраванне на выпрабавальнай машыне. Вы выцягваеце пракладкі з ламінату і правяраеце механічныя нагрузкі, якія могуць вытрымаць гэтыя злучэнні».
Гэтая частка праекта Polymers4Hydrogen будзе завершана ў канцы 2023 года, да гэтага часу Gleis спадзяецца завяршыць другі дэманстрацыйны танк. Цікава, што ў сучасных канструкцыях выкарыстоўваюцца акуратныя армаваныя тэрмапласты ў раме і термореактивные кампазіты ў сценках бака. Ці будзе гэты гібрыдны падыход выкарыстаны ў апошнім дэманстрацыйным танку? - Так, - сказала Грэйс. «Нашы партнёры па праекце Polymers4Hydrogen распрацоўваюць эпаксідныя смалы і іншыя кампазітныя матрычныя матэрыялы з лепшымі ўласцівасцямі вадароднага бар'ера». Яна пералічвае двух партнёраў, якія працуюць над гэтай працай, PCCL і Універсітэт Тампэрэ (Тампэрэ, Фінляндыя).
Глайс і яе каманда таксама абмяняліся інфармацыяй і абмеркавалі з Ягерам ідэі па другім праекце HyDDen з канформнага кампазітнага танка LCC.
«Мы будзем вырабляць канформную кампазітную ёмістасць пад ціскам для даследчых беспілотнікаў», — кажа Ягер. «Гэта супрацоўніцтва паміж двума аддзеламі аэракасмічнага і геадэзічнага дэпартамента TUM - LCC і дэпартамента верталётнай тэхнікі (HT). Праект будзе завершаны да канца 2024 года, і зараз мы завяршаем будаўніцтва ёмістасці пад ціскам. дызайн, які больш аэракасмічны і аўтамабільны падыход. Пасля гэтай пачатковай стадыі канцэпцыі наступным крокам з'яўляецца дэталёвае структурнае мадэляванне і прагназаванне бар'ерных характарыстык сцяны».
«Уся ідэя складаецца ў тым, каб распрацаваць даследчы беспілотнік з гібрыднай рухальнай сістэмай на паліўных элементах і акумулятары», — працягнуў ён. Ён будзе выкарыстоўваць акумулятар падчас вялікіх энергетычных нагрузак (напрыклад, пры ўзлёце і пасадцы), а затым пераключыцца на паліўны элемент падчас крэйсерскай палёту з невялікай нагрузкай. «Каманда HT ужо мела даследчы беспілотнік і перапрацавала трансмісію для выкарыстання як батарэй, так і паліўных элементаў», — сказаў Йегер. «Яны таксама набылі бак CGH2, каб праверыць гэтую трансмісію».
«Маёй камандзе было даручана пабудаваць прататып бака пад ціскам, які падыдзе, але не з-за праблем з упакоўкай, якія стварае цыліндрычны бак», — тлумачыць ён. «Больш спадзісты танк не забяспечвае столькі супраціву ветру. Такім чынам, вы атрымаеце лепшыя лётныя характарыстыкі». Памеры бака прыбл. 830 х 350 х 173 мм.
Цалкам тэрмапластычны бак, сумяшчальны з AFP. Для праекта HyDDen каманда LCC з TUM першапачаткова даследавала падыход, падобны да таго, які выкарыстоўваў Glace (вышэй), але потым перайшла да падыходу з выкарыстаннем камбінацыі некалькіх структурных модуляў, якія потым празмерна выкарыстоўваліся з дапамогай AFP (ніжэй). Выява: Мюнхенскі тэхнічны ўніверсітэт LCC.
«Адна з ідэй падобная на падыход Элізабэт [Глайс], — кажа Ягер, — каб прымяніць расцяжкі да сценкі пасудзіны, каб кампенсаваць вялікія сілы выгібу. Аднак замест таго, каб выкарыстоўваць працэс намотвання для вырабу танка, мы выкарыстоўваем AFP. Таму мы падумалі аб стварэнні асобнай секцыі ёмістасці пад ціскам, у якую ўжо ўбудаваныя стойкі. Такі падыход дазволіў мне аб'яднаць некалькі з гэтых інтэграваных модуляў, а затым прымяніць кантавую крышку, каб загерметызаваць усё перад канчатковай абмоткай AFP».
«Мы спрабуем дапрацаваць такую канцэпцыю, - працягнуў ён, - а таксама пачаць тэставанне выбару матэрыялаў, што вельмі важна для забеспячэння неабходнай устойлівасці да пранікнення газу H2. Для гэтага мы ў асноўным выкарыстоўваем тэрмапластычныя матэрыялы і працуем над тым, як матэрыял паўплывае на пранікальнасць і апрацоўку ў машыне AFP. Важна разумець, ці дасць эфект лячэнне і ці патрэбна дадатковая апрацоўка. Мы таксама хочам ведаць, ці паўплываюць розныя стэкі на пранікненне вадароду праз ёмістасць высокага ціску».
Рэзервуар будзе цалкам зроблены з тэрмапластыку, а паласы будуць пастаўлены Teijin Carbon Europe GmbH (Вуперталь, Германія). «Мы будзем выкарыстоўваць іх PPS [поліфеніленсульфід], PEEK [поліэфіркетон] і LM PAEK [лёгкаплаўкі поліарылкетон], — сказаў Ягер. «Затым праводзіцца параўнанне, каб даведацца, які з іх лепш за ўсё падыходзіць для абароны ад пранікнення і вытворчасці дэталяў з лепшай прадукцыйнасцю». Ён спадзяецца завяршыць тэставанне, мадэляванне структур і працэсаў і першыя дэманстрацыі на працягу наступнага года.
Даследчая праца праводзілася ў рамках модуля COMET «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) у рамках праграмы COMET Федэральнага міністэрства па змяненні клімату, навакольнага асяроддзя, энергетыкі, мабільнасці, інавацый і тэхналогій і Федэральнага міністэрства лічбавых тэхналогій і эканомікі. . Аўтары дзякуюць партнёрам-удзельнікам Polymer Competence Centre Leoben GmbH (PCCL, Аўстрыя), Montanuniversitaet Leoben (факультэт палімернай тэхнікі і навукі, кафедра хіміі палімерных матэрыялаў, кафедра матэрыялазнаўства і выпрабаванняў палімераў), Універсітэт Тамперэ (інжынерны факультэт). Матэрыялы). ) Science), Peak Technology і Faurecia ўнеслі свой уклад у гэтую даследчую працу. COMET-Modul фінансуецца ўрадам Аўстрыі і ўрадам зямлі Штырыя.
Папярэдне армаваныя лісты для апорных канструкцый ўтрымліваюць суцэльныя валакна – не толькі са шкла, але і з вугляроду і араміду.
Ёсць шмат спосабаў вырабу кампазітных дэталяў. Такім чынам, выбар метаду для канкрэтнай дэталі будзе залежаць ад матэрыялу, канструкцыі дэталі і канчатковага выкарыстання або прымянення. Вось кіраўніцтва па выбары.
Shocker Composites і R&M International распрацоўваюць ланцужок паставак перапрацаванага вугляроднага валакна, які забяспечвае нулявы забой, меншы кошт, чым першаснае валакно, і ў канчатковым выніку прапануе даўжыню, набліжаную да бесперапыннага валакна па структурных уласцівасцях.
Час публікацыі: 15 сакавіка 2023 г