Universidad Técnica de Múnich desarrolla tanques cúbicos conformados utilizando compuestos de fibra de carbono para aumentar el almacenamiento de hidrógeno | el mundo de los composites

Los tanques de plataforma plana estándar para BEV y FCEV utilizan compuestos termoplásticos y termoestables con una construcción de esqueleto que proporciona un 25 % más de almacenamiento de H2. #hidrógeno #tendencias
Después de que una colaboración con BMW demostró que un tanque cúbico podía ofrecer una mayor eficiencia volumétrica que varios cilindros pequeños, la Universidad Técnica de Munich se embarcó en un proyecto para desarrollar una estructura compuesta y un proceso de fabricación escalable para la producción en serie. Crédito de la imagen: TU Dresden (arriba a la izquierda), Universidad Técnica de Munich, Departamento de Compuestos de Carbono (LCC)
Los vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) propulsados ​​por hidrógeno de cero emisiones (H2) proporcionan medios adicionales para alcanzar objetivos medioambientales cero. Un turismo de pila de combustible con motor H2 se puede repostar en 5-7 minutos y tiene una autonomía de 500 km, pero actualmente es más caro debido a los bajos volúmenes de producción. Una forma de reducir costos es utilizar una plataforma estándar para los modelos BEV y FCEV. Actualmente, esto no es posible porque los depósitos cilíndricos de tipo 4 utilizados para almacenar gas H2 comprimido (CGH2) a 700 bar en los FCEV no son adecuados para los compartimentos de baterías situados debajo de la carrocería, que han sido cuidadosamente diseñados para vehículos eléctricos. Sin embargo, en este espacio plano de embalaje pueden caber recipientes a presión en forma de almohadas y cubos.
Patente US5577630A para “Recipiente a presión conformado compuesto”, solicitud presentada por Thiokol Corp. en 1995 (izquierda) y el recipiente a presión rectangular patentado por BMW en 2009 (derecha).
El Departamento de Compuestos de Carbono (LCC) de la Universidad Técnica de Munich (TUM, Munich, Alemania) participa en dos proyectos para desarrollar este concepto. El primero es Polymers4Hydrogen (P4H), dirigido por el Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria). El paquete de trabajo de LCC está dirigido por la becaria Elizabeth Glace.
El segundo proyecto es el entorno de desarrollo y demostración de hidrógeno (HyDDen), donde LCC está dirigido por el investigador Christian Jaeger. Ambos tienen como objetivo crear una demostración a gran escala del proceso de fabricación para fabricar un tanque CGH2 adecuado utilizando compuestos de fibra de carbono.
Hay una eficiencia volumétrica limitada cuando se instalan cilindros de diámetro pequeño en celdas de batería planas (izquierda) y recipientes a presión cúbicos tipo 2 fabricados con revestimientos de acero y una carcasa exterior compuesta de fibra de carbono/epóxido (derecha). Fuente de la imagen: Las figuras 3 y 6 son del “Enfoque de diseño numérico para recipientes de caja de presión tipo II con patas de tensión interna” de Ruf y Zaremba et al.
P4H ha fabricado un tanque cúbico experimental que utiliza un marco termoplástico con correas/puntales de tensión compuestos envueltos en epoxi reforzado con fibra de carbono. HyDDen utilizará un diseño similar, pero utilizará el laminado automático de fibra (AFP) para fabricar todos los tanques compuestos termoplásticos.
Desde una solicitud de patente de Thiokol Corp. sobre “Recipientes a presión conformados compuestos” en 1995 hasta la patente alemana DE19749950C2 en 1997, los recipientes de gas comprimido “pueden tener cualquier configuración geométrica”, pero especialmente formas planas e irregulares, en una cavidad conectada al soporte de la carcasa. . Se utilizan elementos de manera que puedan soportar la fuerza de expansión del gas.
Un artículo del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) de 2006 describe tres enfoques: un recipiente de presión conforme con bobinado de filamento, un recipiente de presión de microred que contiene una estructura de red ortorrómbica interna (células pequeñas de 2 cm o menos), rodeado por un contenedor de H2 de paredes delgadas, y un contenedor replicador, que consta de una estructura interna que consta de piezas pequeñas pegadas (por ejemplo, anillos de plástico hexagonales) y una composición de piel exterior delgada. Los contenedores duplicados son más adecuados para contenedores más grandes donde los métodos tradicionales pueden ser difíciles de aplicar.
La patente DE102009057170A presentada por Volkswagen en 2009 describe un recipiente a presión montado en un vehículo que proporcionará una alta eficiencia de peso y al mismo tiempo mejorará la utilización del espacio. Los tanques rectangulares utilizan conectores de tensión entre dos paredes rectangulares opuestas y las esquinas están redondeadas.
Gleiss cita los conceptos anteriores y otros en el artículo “Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars” de Gleiss et al. en ECCM20 (26-30 de junio de 2022, Lausana, Suiza). En este artículo, cita un estudio de TUM publicado por Michael Roof y Sven Zaremba, que encontró que un recipiente a presión cúbico con puntales de tensión que conectan lados rectangulares es más eficiente que varios cilindros pequeños que caben en el espacio de una batería descargada, proporcionando aproximadamente 25 % más. espacio de almacenamiento.
Según Gleiss, el problema de instalar una gran cantidad de cilindros pequeños del tipo 4 en una caja plana es que “el volumen entre los cilindros se reduce considerablemente y el sistema también tiene una superficie de permeación de gas H2 muy grande. En general, el sistema proporciona menos capacidad de almacenamiento que los frascos cúbicos”.
Sin embargo, existen otros problemas con el diseño cúbico del tanque. "Obviamente, debido al gas comprimido, es necesario contrarrestar las fuerzas de flexión en las paredes planas", dijo Gleiss. “Para ello, se necesita una estructura reforzada que se conecte internamente a las paredes del tanque. Pero eso es difícil de hacer con los compuestos”.
Glace y su equipo intentaron incorporar barras de tensión de refuerzo en el recipiente a presión de una manera que fuera adecuada para el proceso de bobinado del filamento. "Esto es importante para la producción de gran volumen", explica, "y también nos permite diseñar el patrón de bobinado de las paredes del contenedor para optimizar la orientación de las fibras para cada carga en la zona".
Cuatro pasos para fabricar un tanque compuesto cúbico de prueba para el proyecto P4H. Crédito de la imagen: “Desarrollo de un proceso de producción para recipientes a presión cúbicos con abrazadera”, Universidad Técnica de Múnich, proyecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junio de 2022.
Para lograrlo en cadena, el equipo ha desarrollado un nuevo concepto que consta de cuatro pasos principales, como se muestra arriba. Los puntales tensores, que se muestran en negro en los escalones, son una estructura de marco prefabricada fabricada utilizando métodos tomados del proyecto MAI Skelett. Para este proyecto, BMW desarrolló un “marco” de marco de parabrisas utilizando cuatro varillas de pultrusión reforzadas con fibra, que luego se moldearon en un marco de plástico.
El marco de un tanque cúbico experimental. Secciones esqueléticas hexagonales impresas en 3D por TUM utilizando filamento PLA no reforzado (arriba), insertando varillas de pultrusión CF/PA6 como tirantes de tensión (centro) y luego envolviendo el filamento alrededor de los tirantes (abajo). Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Munich LCC.
"La idea es que se pueda construir la estructura de un tanque cúbico como una estructura modular", dijo Glace. "Estos módulos luego se colocan en una herramienta de moldeo, los puntales de tensión se colocan en los módulos del marco y luego se utiliza el método de MAI Skelett alrededor de los puntales para integrarlos con las partes del marco". método de producción en masa, lo que da como resultado una estructura que luego se utiliza como mandril o núcleo para envolver la carcasa compuesta del tanque de almacenamiento.
TUM diseñó el marco del tanque como un “cojín” cúbico con lados sólidos, esquinas redondeadas y un patrón hexagonal en la parte superior e inferior a través del cual se pueden insertar y unir bridas. Los agujeros para estos bastidores también se imprimieron en 3D. "Para nuestro tanque experimental inicial, imprimimos en 3D secciones de marco hexagonales usando ácido poliláctico [PLA, un termoplástico de base biológica] porque era fácil y económico", dijo Glace.
El equipo compró 68 varillas de poliamida 6 (PA6) reforzada con fibra de carbono pultruida de SGL Carbon (Meitingen, Alemania) para usarlas como bridas. “Para probar el concepto, no hicimos ninguna moldura”, dice Gleiss, “sino que simplemente insertamos espaciadores en un marco con núcleo de panal impreso en 3D y los pegamos con pegamento epoxi. Esto proporciona entonces un mandril para enrollar el tanque”. Ella señala que aunque estas cañas son relativamente fáciles de enrollar, existen algunos problemas importantes que se describirán más adelante.
"En la primera etapa, nuestro objetivo era demostrar la viabilidad de fabricación del diseño e identificar problemas en el concepto de producción", explicó Gleiss. “Así, los puntales tensores sobresalen de la superficie exterior de la estructura esquelética, y unimos las fibras de carbono a este núcleo mediante un bobinado de filamento húmedo. Después de eso, en el tercer paso, doblamos la cabeza de cada tirante. termoplástico, por lo que solo usamos calor para remodelar la cabeza para que se aplane y se fije en la primera capa de envoltura. Luego se procede a envolver nuevamente la estructura de manera que el cabezal de empuje plano quede encerrado geométricamente dentro del tanque. laminado en las paredes.
Tapa espaciadora para enrollar. TUM utiliza tapas de plástico en los extremos de las varillas tensoras para evitar que las fibras se enreden durante el bobinado del filamento. Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Munich LCC.
Glace reiteró que este primer tanque era una prueba de concepto. “El uso de la impresión 3D y el pegamento fue sólo para las pruebas iniciales y nos dio una idea de algunos de los problemas que encontramos. Por ejemplo, durante el bobinado, los filamentos quedaban atrapados por los extremos de las varillas de tensión, lo que provocaba la rotura y el daño de la fibra y reducía la cantidad de fibra para contrarrestar esto. Usamos algunas tapas de plástico como ayudas de fabricación que se colocaron en los postes antes del primer paso de enrollado. Luego, cuando se hicieron los laminados internos, retiramos estas tapas protectoras y remodelamos los extremos de los postes antes del envoltorio final”.
El equipo experimentó con varios escenarios de reconstrucción. “Quienes miran a su alrededor trabajan mejor”, dice Grace. “Además, durante la fase de creación de prototipos, utilizamos una herramienta de soldadura modificada para aplicar calor y remodelar los extremos de las barras de dirección. En un concepto de producción en masa, tendría una herramienta más grande que puede moldear y formar todos los extremos de los puntales en un laminado de acabado interior al mismo tiempo. . "
Cabezas de barra de tiro remodeladas. TUM experimentó con diferentes conceptos y modificó las soldaduras para alinear los extremos de las bridas compuestas para fijarlas al laminado de la pared del tanque. Crédito de la imagen: “Desarrollo de un proceso de producción para recipientes a presión cúbicos con abrazadera”, Universidad Técnica de Múnich, proyecto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junio de 2022.
Así, el laminado se cura después del primer paso de enrollado, se reforman los postes, el TUM completa el segundo enrollado de los filamentos y luego el laminado de la pared exterior del tanque se cura por segunda vez. Tenga en cuenta que este es un diseño de tanque tipo 5, lo que significa que no tiene un revestimiento de plástico como barrera contra gases. Consulte la discusión en la sección Próximos pasos a continuación.
"Cortamos la primera demostración en secciones transversales y mapeamos el área conectada", dijo Glace. "Un primer plano muestra que tuvimos algunos problemas de calidad con el laminado, ya que las cabezas de los puntales no quedaban planas sobre el laminado interior".
Solución de problemas con espacios entre el laminado de las paredes interior y exterior del tanque. La cabeza del tirante modificada crea un espacio entre la primera y la segunda vuelta del tanque experimental. Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Munich LCC.
Este tanque inicial de 450 x 290 x 80 mm se completó el verano pasado. "Hemos progresado mucho desde entonces, pero todavía tenemos una brecha entre el laminado interior y exterior", dijo Glace. “Así que intentamos llenar esos huecos con una resina limpia y de alta viscosidad. De hecho, esto mejora la conexión entre los montantes y el laminado, lo que aumenta considerablemente la tensión mecánica”.
El equipo continuó desarrollando el diseño y el proceso del tanque, incluidas soluciones para el patrón de bobinado deseado. "Los lados del tanque de prueba no estaban completamente curvados porque a esta geometría le resultaba difícil crear un camino sinuoso", explicó Glace. “Nuestro ángulo de bobinado inicial era de 75°, pero sabíamos que se necesitaban múltiples circuitos para satisfacer la carga en este recipiente a presión. Seguimos buscando una solución a este problema, pero no es fácil con el software que hay actualmente en el mercado. Puede convertirse en un proyecto de seguimiento.
“Hemos demostrado la viabilidad de este concepto de producción”, afirma Gleiss, “pero tenemos que seguir trabajando para mejorar la conexión entre el laminado y remodelar los tirantes. “Pruebas externas en una máquina de pruebas. Se sacan los espaciadores del laminado y se prueban las cargas mecánicas que esas juntas pueden soportar”.
Esta parte del proyecto Polymers4Hydrogen se completará a finales de 2023, momento en el que Gleis espera completar el segundo tanque de demostración. Curiosamente, los diseños actuales utilizan termoplásticos reforzados en el marco y compuestos termoestables en las paredes del tanque. ¿Se utilizará este enfoque híbrido en el tanque de demostración final? "Sí", dijo Grace. "Nuestros socios en el proyecto Polymers4Hydrogen están desarrollando resinas epoxi y otros materiales de matriz compuestos con mejores propiedades de barrera al hidrógeno". Enumera dos socios que trabajan en este trabajo, PCCL y la Universidad de Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss y su equipo también intercambiaron información y discutieron ideas con Jaeger sobre el segundo proyecto HyDDen del tanque compuesto conformal LCC.
"Produciremos un recipiente a presión compuesto conformado para drones de investigación", dice Jaeger. “Esta es una colaboración entre los dos departamentos del Departamento Aeroespacial y Geodésico de TUM – LCC y el Departamento de Tecnología de Helicópteros (HT). El proyecto se completará a finales de 2024 y actualmente estamos completando el recipiente a presión. un diseño que tiene un enfoque más aeroespacial y automotriz. Después de esta etapa de concepto inicial, el siguiente paso es realizar un modelado estructural detallado y predecir el desempeño de la barrera de la estructura del muro”.
"La idea es desarrollar un dron exploratorio con un sistema de propulsión híbrido de pila de combustible y batería", continuó. Utilizará la batería durante cargas de alta potencia (es decir, despegue y aterrizaje) y luego cambiará a la celda de combustible durante el crucero con carga ligera. "El equipo HT ya tenía un dron de investigación y rediseñó el sistema de propulsión para utilizar baterías y pilas de combustible", dijo Yeager. "También compraron un tanque CGH2 para probar esta transmisión".
"A mi equipo se le encomendó la tarea de construir un prototipo de tanque a presión que encajara, pero no por los problemas de empaque que crearía un tanque cilíndrico", explica. “Un tanque más plano no ofrece tanta resistencia al viento. Así se obtiene un mejor rendimiento de vuelo”. Dimensiones del tanque aprox. 830x350x173mm.
Tanque totalmente termoplástico compatible con AFP. Para el proyecto HyDDen, el equipo LCC de TUM inicialmente exploró un enfoque similar al utilizado por Glace (arriba), pero luego pasó a un enfoque que utiliza una combinación de varios módulos estructurales, que luego se abusaron usando AFP (abajo). Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Munich LCC.
“Una idea es similar al enfoque de Elisabeth [Gleiss]”, dice Yager, “de aplicar tirantes de tensión a la pared del vaso para compensar las altas fuerzas de flexión. Sin embargo, en lugar de utilizar un proceso de bobinado para fabricar el tanque, utilizamos AFP. Por eso hemos pensado en crear una sección separada del recipiente a presión, en la que ya estén integradas las rejillas. Este enfoque me permitió combinar varios de estos módulos integrados y luego aplicar una tapa final para sellar todo antes del bobinado final del AFP”.
“Estamos intentando finalizar este concepto”, continuó, “y también comenzar a probar la selección de materiales, lo cual es muy importante para garantizar la resistencia necesaria a la penetración del gas H2. Para ello utilizamos principalmente materiales termoplásticos y estamos trabajando en diferentes formas en que el material afectará el comportamiento de permeación y el procesamiento en la máquina AFP. Es importante comprender si el tratamiento tendrá efecto y si se requiere algún procesamiento posterior. También queremos saber si diferentes chimeneas afectarán la permeación del hidrógeno a través del recipiente a presión”.
El tanque estará fabricado íntegramente en termoplástico y las tiras serán suministradas por Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemania). "Utilizaremos sus materiales PPS [sulfuro de polifenileno], PEEK [poliéter cetona] y LM PAEK [poliaril cetona de bajo punto de fusión]", dijo Yager. "Luego se hacen comparaciones para ver cuál es mejor para la protección contra la penetración y para producir piezas con mejor rendimiento". Espera completar las pruebas, el modelado estructural y de procesos y las primeras demostraciones durante el próximo año.
El trabajo de investigación se llevó a cabo dentro del módulo COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) dentro del programa COMET del Ministerio Federal de Cambio Climático, Medio Ambiente, Energía, Movilidad, Innovación y Tecnología y el Ministerio Federal de Tecnología Digital y Economía. . Los autores agradecen a los socios participantes Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facultad de Ingeniería y Ciencias de Polímeros, Departamento de Química de Materiales Polímeros, Departamento de Ciencia de Materiales y Ensayos de Polímeros), Universidad de Tampere (Facultad de Ingeniería Materiales). ) Science), Peak Technology y Faurecia contribuyeron a este trabajo de investigación. COMET-Modul está financiado por el gobierno de Austria y el gobierno del estado de Estiria.
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Hora de publicación: 15-mar-2023