Normaj platplatformaj tankoj por BEV-oj kaj FCEV-oj uzas termoplastajn kaj termostatajn kunmetaĵojn kun skeletkonstruaĵo kiu disponigas 25% pli da H2-stokado. #hidrogeno #tendencoj
Post kiam kunlaboro kun BMW montris ke kuba tanko povis liveri pli altan volumetran efikecon ol multoblaj malgrandaj cilindroj, la Teknika Universitato de Munkeno komencis projekton por evoluigi kunmetitan strukturon kaj skaleblan produktadprocezon por seria produktado. Bildkredito: TU Dresden (supre) maldekstre), Teknika Universitato de Munkeno, Sekcio pri Karbon-Kombinaĵoj (LCC)
Fuelĉelaj elektraj veturiloj (FCEV) funkciigitaj per nul-emisio (H2) hidrogeno disponigas kromajn rimedojn por atingi nul-mediajn celojn. Fuelpilo pasaĝeraŭto kun H2-motoro povas esti plenigita en 5-7 minutoj kaj havas gamon de 500 km, sed estas nuntempe pli multekosta pro malaltaj produktaj volumoj. Unu maniero redukti kostojn estas uzi norman platformon por modeloj BEV kaj FCEV. Ĉi tio estas nuntempe ne ebla ĉar la Tipo 4 cilindraj tankoj uzataj por stoki kunpremitan H2-gason (CGH2) je 700 trinkejo en FCEV-oj ne taŭgas por la subkorpaj bateriosekcioj, kiuj estis singarde dizajnitaj por elektraj veturiloj. Tamen, premujoj en formo de kusenoj kaj kuboj povas konveni en ĉi tiun platan pakspacon.
Patento US5577630A por "Composite Conformal Pressure Vessel", apliko arkivita fare de Thiokol Corp. en 1995 (maldekstre) kaj la rektangula premujo patentita fare de BMW en 2009 (dekstre).
La Department of Carbon Composites (LCC) de la Teknika Universitato de Munkeno (TUM, Munkeno, Germanio) estas implikita en du projektoj por evoluigi ĉi tiun koncepton. La unua estas Polymers4Hydrogen (P4H), gvidata de la Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Aŭstrio). La laborpakaĵo de LCC estas gvidata de samideano Elizabeth Glace.
La dua projekto estas la Hidrogena Manifestacio kaj Evoluo-Medio (HyDDen), kie LCC estas gvidata de la esploristo Christian Jaeger. Ambaŭ celas krei grandskalan pruvon de la produktada procezo por fari taŭgan CGH2-tankon uzante karbonfibrajn kunmetaĵojn.
Estas limigita volumetra efikeco kiam malgrandaj diametraj cilindroj estas instalitaj en plataj bateriĉeloj (maldekstre) kaj kubaj tipo 2 premujoj faritaj el ŝtalekskursoŝipoj kaj karbonfibro/epoksi-kunmetita ekstera ŝelo (dekstra). Bildofonto: Figuroj 3 kaj 6 estas de "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" de Ruf kaj Zaremba et al.
P4H fabrikis eksperimentan kubtankon kiu uzas termoplastan kadron kun kunmetitaj streĉaj rimenoj/apogtraboj envolvitaj en karbonfibro plifortikigita epoksio. HyDDen uzos similan dezajnon, sed uzos aŭtomatan fibran aranĝon (AFP) por produkti ĉiujn termoplastajn kunmetitajn tankojn.
De patentpeto de Thiokol Corp. ĝis "Composite Conformal Pressure Vessel" en 1995 ĝis Germana Patento DE19749950C2 en 1997, kunpremitaj gasŝipoj "povas havi ajnan geometrian konfiguracion", sed precipe platajn kaj neregulajn formojn, en kavaĵo ligita al la ŝelsubteno. . elementoj estas uzataj tiel ke ili povas elteni la forton de ekspansio de la gaso.
Artikolo de Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) (2006) priskribas tri alirojn: filament-vundita konforma premujo, mikrokradpremujo enhavanta internan ortorombian kradstrukturon (malgrandaj ĉeloj de 2 cm aŭ malpli), ĉirkaŭita de maldikmura H2-ujo, kaj replika ujo, konsistanta el interna strukturo konsistanta el gluitaj malgrandaj partoj (ekz., sesangulaj plastaj ringoj) kaj kunmetaĵo de maldika ekstera ŝelo haŭto. Duoblaj ujoj plej taŭgas por pli grandaj ujoj kie tradiciaj metodoj povas esti malfacile apliki.
Patento DE102009057170A arkivita de Volkswagen en 2009 priskribas veturilon-surĉevalan premujon kiu provizos altan pezefikecon plibonigante spac-utiligon. Rektangulaj tankoj uzas streĉajn konektilojn inter du rektangulaj kontraŭaj muroj, kaj la anguloj estas rondetaj.
Ĉi-supraj kaj aliaj konceptoj estas cititaj de Gleiss en la papero "Proceza Evoluo por Kubaj Premŝipoj kun Streĉaj Baroj" de Gleiss et al. ĉe ECCM20 (26-30 junio 2022, Laŭzano, Svislando). En ĉi tiu artikolo, ŝi citas TUM-studon publikigitan de Michael Roof kaj Sven Zaremba, kiu trovis, ke kuba premujo kun streĉaj apogtraboj ligantaj rektangulajn flankojn estas pli efika ol pluraj malgrandaj cilindroj kiuj konvenas en la spacon de plata baterio, provizante proksimume 25. % pli. konservejo.
Laŭ Gleiss, la problemo kun instalo de granda nombro da malgrandaj tipo 4-cilindroj en plata kazo estas ke "la volumeno inter la cilindroj estas multe reduktita kaj la sistemo ankaŭ havas tre grandan H2-gasan trapenetran surfacon. Ĝenerale, la sistemo provizas malpli da stokkapablo ol kubaj kruĉoj."
Tamen, ekzistas aliaj problemoj kun la kuba dezajno de la tanko. "Evidente, pro la kunpremita gaso, vi devas kontraŭstari la flekseblajn fortojn sur la plataj muroj," diris Gleiss. "Por ĉi tio, vi bezonas plifortigitan strukturon, kiu ligas interne al la muroj de la tanko. Sed tion malfacilas fari kun kunmetaĵoj.”
Glace kaj ŝia teamo provis integrigi plifortikajn streĉbrikojn en la premujon en maniero kiel kiu taŭgus por la filamenta volvaĵoprocezo. "Ĉi tio estas grava por altvoluma produktado," ŝi klarigas, "kaj ankaŭ permesas al ni desegni la volvaĵan ŝablonon de la ujmuroj por optimumigi fibran orientiĝon por ĉiu ŝarĝo en la zono."
Kvar paŝoj por fari provan kuban kunmetitan tankon por la projekto P4H. Bildkredito: "Evoluo de produktada procezo por kubaj premujoj kun krampo", Teknika Universitato de Munkeno, Polymers4Hydrogen-projekto, ECCM20, junio 2022.
Por atingi sur-ĉenon, la teamo evoluigis novan koncepton konsistantan el kvar ĉefaj paŝoj, kiel montrite supre. La streĉapogtraboj, montritaj en nigra sur la ŝtupoj, estas prefabrikita framstrukturo fabrikita uzante metodojn prenitajn de la MAI Skelett-projekto. Por tiu projekto, BMW evoluigis antaŭglaca kadron "kadron" uzante kvar fibro-plifortikigitajn pultrusion-bastonojn, kiuj tiam estis mulditaj en plastan kadron.
La kadro de eksperimenta kuba tanko. Sesangulaj skeletaj sekcioj 3D presitaj de TUM uzante neplifortikigitan PLA-filamenton (supro), enigante CF/PA6-pultrusion-stangojn kiel streĉajn bretojn (meze) kaj poste envolvante la filamenton ĉirkaŭ la dentŝnuroj (malsupre). Bildkredito: Teknika Universitato de Munkeno LCC.
"La ideo estas, ke vi povas konstrui la kadron de kuba tanko kiel modula strukturo," diris Glace. "Ĉi tiuj moduloj tiam estas metitaj en muldan ilon, la streĉaj apogtraboj estas metitaj en la kadrajn modulojn, kaj tiam la metodo de MAI Skelett estas uzata ĉirkaŭ la apogtraboj por integri ilin kun la kadropartoj." amasproduktadmetodo, rezultigante strukturon, kiu tiam estas uzata kiel mandrilo aŭ kerno por envolvi la stokan tankon kunmetitan ŝelon.
TUM dizajnis la tankan kadron kiel kuba "kuseno" kun solidaj flankoj, rondetaj anguloj kaj sesangula ŝablono sur la supro kaj malsupro tra kiu kravatoj povas esti enigitaj kaj alkroĉitaj. La truoj por ĉi tiuj rakoj ankaŭ estis 3D presitaj. "Por nia komenca eksperimenta tanko, ni 3D presis sesangulajn kadrajn sekciojn uzante polilaktan acidon [PLA, bio-bazita termoplasto] ĉar ĝi estis facila kaj malmultekosta," diris Glace.
La teamo aĉetis 68 pultruditaj karbonfibro plifortikigita poliamido 6 (PA6) bastonoj de SGL Karbono (Meitingen, Germanio) por uzo kiel kravatoj. “Por testi la koncepton, ni faris neniun muldilon,” diras Gleiss, “sed simple enmetis disigilojn en 3D presitan mielĉelaran kernkadron kaj gluis ilin per epoksia gluo. Tio tiam disponigas mandrilon por bobeni la tankon." Ŝi notas, ke kvankam ĉi tiuj bastonoj estas relative facile bobeneblaj, ekzistas iuj gravaj problemoj, kiuj estos priskribitaj poste.
"En la unua etapo, nia celo estis pruvi la fabrikeblecon de la dezajno kaj identigi problemojn en la produktadkoncepto," klarigis Gleiss. "Do la streĉaj apogtraboj elstaras el la ekstera surfaco de la skeleta strukturo, kaj ni ligas la karbonfibrojn al ĉi tiu kerno uzante malsekan filamentan bobenadon. Post tio, en la tria paŝo, ni fleksas la kapon de ĉiu ligo. termoplasta, do ni nur uzas varmegon por transformi la kapon por ke ĝi platiĝu kaj enfermu la unuan tavolon de envolvaĵo. Ni tiam denove envolvas la strukturon tiel ke la plata puŝokapo estas geometrie enfermita en la tanko. laminato sur la muroj.
Spacerĉapo por volvaĵo. TUM uzas plastajn ĉapojn sur la finoj de la streĉstangoj por malhelpi la fibrojn implikiĝi dum filamentvolvado. Bildkredito: Teknika Universitato de Munkeno LCC.
Glace ripetis, ke ĉi tiu unua tanko estis pruvo de koncepto. "La uzo de 3D-preso kaj gluo estis nur por komencaj provoj kaj donis al ni ideon pri kelkaj problemoj, kiujn ni renkontis. Ekzemple, dum bobenado, la filamentoj estis kaptitaj per la finoj de la streĉstangoj, kaŭzante fibrorompon, fibrodifekton, kaj reduktante la kvanton de fibro por rebati tion. ni uzis kelkajn plastajn ĉapojn kiel produktadhelpojn kiuj estis metitaj sur la stangojn antaŭ la unua volvaĵopaŝo. Poste, kiam la internaj lamenaĵoj estis faritaj, ni forigis ĉi tiujn protektajn ĉapojn kaj transformis la finojn de la stangoj antaŭ la fina envolvado."
La teamo eksperimentis kun diversaj rekonstruscenaroj. "Tiuj, kiuj ĉirkaŭrigardas, laboras plej bone," diras Grace. "Ankaŭ, dum la prototipa fazo, ni uzis modifitan veldan ilon por apliki varmegon kaj transformi la tirajn pintojn. En amasprodukta koncepto, vi havus unu pli grandan ilon, kiu povas formi kaj formi ĉiujn finojn de la apogtraboj en internan finpoluron samtempe. . ”
Tirstangkapoj aliformitaj. TUM eksperimentis kun malsamaj konceptoj kaj modifis la veldojn por vicigi la finojn de la sintezaj kravatoj por alkroĉi al la tanka murlamenaĵo. Bildkredito: "Evoluo de produktada procezo por kubaj premujoj kun krampo", Teknika Universitato de Munkeno, Polymers4Hydrogen-projekto, ECCM20, junio 2022.
Tiel, la lamenaĵo estas resanigita post la unua volvaĵopaŝo, la fostoj estas transformitaj, la TUM kompletigas la duan volvaĵon de la filamentoj, kaj tiam la ekstera tanka murlamenaĵo estas resanigita duan fojon. Bonvolu noti, ke ĉi tio estas tipo 5-tanko-dezajno, kio signifas, ke ĝi ne havas plastan tegaĵon kiel gasbarieron. Vidu la diskuton en la sekcio Sekvaj Paŝoj sube.
"Ni tranĉis la unuan demonstraĵon en sekcojn kaj mapis la ligitan areon," diris Glace. "Deproksima plano montras, ke ni havis iujn kvalitajn problemojn kun la lamenaĵo, kun la apogkapoj ne kuŝantaj plata sur la interna lamenaĵo."
Solvante problemojn kun interspacoj inter la laminado de la internaj kaj eksteraj muroj de la tanko. La modifita tirangokapo kreas interspacon inter la unua kaj dua turnoj de la eksperimenta tanko. Bildkredito: Teknika Universitato de Munkeno LCC.
Ĉi tiu komenca 450 x 290 x 80 mm tanko estis kompletigita lastan someron. "Ni faris multe da progreso ekde tiam, sed ni ankoraŭ havas interspacon inter interna kaj ekstera lamenaĵo," diris Glace. “Do ni provis plenigi tiujn mankojn per pura, alta viskozeca rezino. Ĉi tio efektive plibonigas la ligon inter la bredvirĉevaloj kaj la lamenaĵo, kio multe pliigas la mekanikan streĉon."
La teamo daŭre evoluigis la tankdezajnon kaj procezon, inkluzive de solvoj por la dezirata volvaĵpadrono. "La flankoj de la testtanko ne estis plene krispigitaj ĉar estis malfacile por ĉi tiu geometrio krei serpentuman vojon," Glace klarigis. "Nia komenca volvaĵangulo estis 75°, sed ni sciis, ke pluraj cirkvitoj estas necesaj por renkonti la ŝarĝon en ĉi tiu premujo. Ni ankoraŭ serĉas solvon al ĉi tiu problemo, sed ĝi ne estas facila kun la programaro nuntempe sur la merkato. Ĝi povas fariĝi sekva projekto.
"Ni pruvis la fareblecon de ĉi tiu produktadkoncepto," diras Gleiss, "sed ni devas labori plu por plibonigi la ligon inter la laminado kaj transformi la ligilojn. "Ekstera testado sur testa maŝino. Vi eltiras la disigilojn el la lamenaĵo kaj testas la mekanikajn ŝarĝojn, kiujn tiuj juntoj povas elteni."
Ĉi tiu parto de la projekto Polymers4Hydrogen estos kompletigita fine de 2023, ĝis tiu tempo Gleis esperas kompletigi la duan pruvtankon. Interese, dezajnoj hodiaŭ uzas bonordajn plifortikigitajn termoplastojn en la kadro kaj termostatajn kunmetaĵojn en la tankaj muroj. Ĉu ĉi tiu hibrida aliro estos uzata en la fina pruva tanko? "Jes," diris Grace. "Niaj partneroj en la projekto Polymers4Hydrogen disvolvas epoksiajn rezinojn kaj aliajn kunmetitajn matricajn materialojn kun pli bonaj hidrogenaj baraj propraĵoj." Ŝi listigas du partnerojn laborantajn pri ĉi tiu laboro, PCCL kaj la Universitato de Tampere (Tampere, Finnlando).
Gleiss kaj ŝia teamo ankaŭ interŝanĝis informojn kaj diskutis ideojn kun Jaeger en la dua HyDDen-projekto de la LCC konforma sinteza tanko.
"Ni produktos konforman kunmetitan premujon por esploraj virabeloj," diras Jaeger. "Ĉi tio estas kunlaboro inter la du sekcioj de la Aerospaca kaj Geodezia Sekcio de TUM - LCC kaj la Sekcio de Helikoptera Teknologio (HT). La projekto estos finita antaŭ la fino de 2024 kaj ni nuntempe kompletigas la premujon. dezajno kiu estas pli de aerospaca kaj aŭtomobila aliro. Post ĉi tiu komenca konceptstadio, la sekva paŝo estas plenumi detalan strukturan modeladon kaj antaŭdiri la barierfaradon de la murstrukturo."
"La tuta ideo estas evoluigi esploradan dronon kun hibrida fuelpilo kaj bateria propulssistemo," li daŭrigis. Ĝi uzos la kuirilaron dum altaj potencaj ŝarĝoj (t.e. ekflugo kaj surteriĝo) kaj poste ŝanĝos al la fuelpilo dum malpeza ŝarĝa krozado. "La HT-teamo jam havis esploran dronon kaj restrukturis la potenco-trajnon por uzi kaj bateriojn kaj fuelpilojn," diris Yeager. "Ili ankaŭ aĉetis CGH2-tankon por testi ĉi tiun dissendon."
"Mia teamo estis taskigita konstrui premtankan prototipon, kiu taŭgus, sed ne pro la pakaj problemoj, kiujn kreus cilindra tanko," li klarigas. “Pli plata tanko ne ofertas tiom da ventorezisto. Do vi ricevas pli bonan flugefikecon." Tankdimensioj ĉ. 830 x 350 x 173 mm.
Plene termoplasta AFP-konforma tanko. Por la HyDDen-projekto, la LCC-teamo ĉe TUM komence esploris similan aliron al tiu uzita fare de Glace (supre), sed tiam moviĝis al aliro uzanta kombinaĵon de pluraj strukturaj moduloj, kiuj tiam estis tro uzataj uzante AFP (malsupre). Bildkredito: Teknika Universitato de Munkeno LCC.
"Unu ideo estas simila al la aliro de Elisabeth [Gleiss]," Yager diras, "por apliki streĉajn krampojn al la ŝipa muro por kompensi la altajn fleksajn fortojn. Tamen, anstataŭ uzi bobenan procezon por fari la tankon, ni uzas AFP. Tial ni pensis pri krei apartan sekcion de la premujo, en kiu la rakoj jam estas integritaj. Ĉi tiu aliro permesis al mi kombini plurajn el ĉi tiuj integraj moduloj kaj poste apliki finĉapon por sigeli ĉion antaŭ la fina AFP-volvaĵo."
"Ni provas fini tian koncepton," li daŭrigis, "kaj ankaŭ komenci testi la elekton de materialoj, kio estas tre grava por certigi la necesan reziston al H2-gasa penetrado. Por tio, ni ĉefe uzas termoplastajn materialojn kaj laboras pri diversaj kiel la materialo influos ĉi tiun trapenetran konduton kaj prilaboradon en la AFP-maŝino. Gravas kompreni, ĉu la traktado efikos kaj ĉu necesas ia post-traktado. Ni ankaŭ volas scii ĉu malsamaj stakoj influos hidrogenan trapenetron tra la premujo."
La tanko estos tute farita el termoplasto kaj la strioj estos liveritaj de Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germanio). "Ni uzos iliajn PPS [polifenilensulfido], PEEK [polieterketono] kaj LM PAEK [malaltfandanta poliarilketono] materialoj," diris Yager. "Komparoj tiam estas faritaj por vidi kiu unu estas plej bona por penetrprotekto kaj produkti partojn kun pli bona rendimento." Li esperas kompletigi testadon, strukturan kaj procezmodeladon kaj unuajn manifestaciojn ene de la venonta jaro.
La esplorlaboro estis farita ene de la COMET-modulo "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) ene de la COMET-programo de la Federacia Ministerio pri Klimata Ŝanĝo, Medio, Energio, Moviĝeblo, Novigado kaj Teknologio kaj la Federacia Ministerio por Cifereca Teknologio kaj Ekonomio. . La aŭtoroj dankas la partoprenantajn partnerojn Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Aŭstrio), Montanuniversitaet Leoben (Fakultato de Polimer-Inĝenieristiko kaj Scienco, Sekcio pri Kemio de Polimeraj Materialoj, Sekcio pri Materiala Scienco kaj Polimer-Testado), Universitato de Tampere (Fakultato pri Inĝenieristiko). Materialoj). ) Science), Peak Technology kaj Faurecia kontribuis al tiu ĉi esplorlaboro. COMET-Modul estas financita de la registaro de Aŭstrio kaj la registaro de la ŝtato Stirio.
Antaŭ-plifortigitaj folioj por ŝarĝaj strukturoj enhavas kontinuajn fibrojn - ne nur el vitro, sed ankaŭ el karbono kaj aramido.
Estas multaj manieroj fari kunmetitajn partojn. Tial, la elekto de metodo por aparta parto dependos de la materialo, la dezajno de la parto, kaj la fina uzo aŭ apliko. Jen elekta gvidilo.
Shocker Composites kaj R&M International disvolvas reciklitan karbonfibran provizoĉenon, kiu provizas nulan buĉadon, pli malaltan koston ol virga fibro kaj eventuale ofertos longojn, kiuj alproksimiĝas al kontinua fibro en strukturaj propraĵoj.
Afiŝtempo: Mar-15-2023