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 H2. #hidrógeno #trends
Después de una colaboración con BMW mostró que un tanque cúbico podría ofrecer una mayor eficiencia volumétrica que múltiples 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 (Top) Left), Universidad Técnica de Munich, Departamento de Compuestos de Carbono (LCC)
Los vehículos eléctricos de celdas de combustible (FCEV) alimentadas por hidrógeno de emisión cero (H2) proporcionan medios adicionales para lograr objetivos ambientales cero. Un automóvil de pasajeros de celdas de combustible con motor H2 se puede llenar en 5-7 minutos y tiene un rango de 500 km, pero actualmente es más costoso debido a los bajos volúmenes de producción. Una forma de reducir los costos es utilizar una plataforma estándar para modelos BEV y FCEV. Actualmente no es posible porque los tanques cilíndricos tipo 4 utilizados para almacenar gas H2 comprimido (CGH2) a 700 bar en FCEV no son adecuados para los compartimentos de batería debajo del cuerpo que han sido cuidadosamente diseñados para vehículos eléctricos. Sin embargo, los recipientes a presión en forma de almohadas y cubos pueden caber en este espacio de envasado plano.
Patente US5577630A para "Vesado de presión conforme compuesta", solicitud presentada por Thiokol Corp. en 1995 (izquierda) y el recipiente de 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 Polymers4hidrogen (P4H), dirigido por el Centro de Competencia de Polímeros Leoben (PCCL, Leoben, Austria). El paquete de trabajo LCC está dirigido por su compañera Elizabeth Glace.
El segundo proyecto es el entorno de demostración y desarrollo 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 hacer un tanque CGH2 adecuado que utilice compuestos de fibra de carbono.
Hay una eficiencia volumétrica limitada cuando se instalan cilindros de diámetro pequeño en celdas de batería plana (izquierda) y recipientes a presión cúbicos de tipo 2 hechos de revestimientos de acero y una cubierta externa compuesta de fibra de carbono/epoxi compuesto (derecha). Fuente de la imagen: Las Figuras 3 y 6 provienen del "enfoque de diseño numérico para el recipiente de caja de presión tipo II con patas de tensión interna" de RUF y Zaremba et al.
P4H ha fabricado un tanque de cubo 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 la colocación automática de fibra (AFP) para fabricar todos los tanques compuestos termoplásticos.
Desde una solicitud de patente de Thiokol Corp. hasta el "recipiente de presión conforme compuesta" en 1995 a la patente alemana DE197499950C2 En 1997, los vasos de gas comprimidos "pueden tener cualquier configuración geométrica", pero especialmente formas planas e irregulares, en una cavidad conectada al soporte de carcasa . Se utilizan elementos para que puedan resistir la fuerza de expansión del gas.
Un documento del Laboratorio Nacional de Livermore National (LLNL) de 2006 describe tres enfoques: un recipiente de presión conforme al filamento, un recipiente a presión de microletización que contiene una estructura de celosía ortorrhombica interna (pequeñas células de 2 cm o menos), rodeado por un recipiente H2 de pared delgada, y un recipiente de replicador, que consiste en una estructura interna que consiste en piezas pequeñas pegadas (por ejemplo, plástico hexagonal anillos) y una composición de la piel delgada de la cubierta externa. Los contenedores duplicados son los 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 el vehículo que proporcionará una alta eficiencia de peso al tiempo que mejora la utilización del espacio. Los tanques rectangulares usan conectores de tensión entre dos paredes opuestas rectangulares, y las esquinas se redondean.
Gleiss citó los conceptos anteriores y de otro tipo en el documento "Desarrollo de procesos para vasos a presión cúbica con barras de estiramiento" de Gleiss et al. en ECCM20 (26-30 de junio de 2022, Lausana, Suiza). En este artículo, cita un estudio TUM publicado por Michael Roof y Sven Zaremba, que encontró que un recipiente a presión cúbica con puntales de tensión que conectan los lados rectangulares es más eficiente que varios cilindros pequeños que se ajustan al espacio de una batería plana, proporcionando aproximadamente 25 % más. espacio de almacenamiento.
Según Gleiss, el problema con la instalación de una gran cantidad de cilindros de tipo 4 pequeños 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, hay otros problemas con el diseño cúbico del tanque. "Obviamente, debido al gas comprimido, debe contrarrestar las fuerzas de flexión en las paredes planas", dijo Gleiss. “Para esto, 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 sería adecuada para el proceso de devanado del filamento. "Esto es importante para la producción de alto volumen", explica, "y también nos permite diseñar el patrón de devanado de las paredes del contenedor para optimizar la orientación de la fibra para cada carga en la zona".
Cuatro pasos para hacer un tanque compuesto cúbico de prueba para el proyecto P4H. Crédito de la imagen: "Desarrollo de un proceso de producción para recipientes a presión cúbica con aparato ortopédico", Universidad Técnica de Munich, Polymers4hidrogen Project, ECCM20, junio de 2022.
Para lograr en la cadena, el equipo ha desarrollado un nuevo concepto que consta de cuatro pasos principales, como se muestra arriba. Los puntales de tensión, que se muestran en negro en los pasos, son una estructura de marco prefabricada fabricada utilizando métodos tomados del proyecto Mai Skelett. Para este proyecto, BMW desarrolló un "marco" del marco del 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 3D impresas por TUM utilizando filamento PLA no reforzado (arriba), insertando varillas de pultrusión CF/PA6 como aparatos tensiones (medio) y luego envolviendo el filamento alrededor de los aparatos ortopédicos (abajo). Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Munich LCC.
"La idea es que puedes construir el marco de un tanque cúbico como una estructura modular", dijo Glace. "Estos módulos se colocan en una herramienta de moldeo, los puntales de tensión se colocan en los módulos de marco y luego el método de Mai Skelett se usa alrededor de los puntales para integrarlos con las piezas del marco". Método de producción en masa, que resulta en una estructura que luego se usa 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 los lazos. Los agujeros para estos bastidores también se imprimieron en 3D. "Para nuestro tanque experimental inicial, imprimimos 3D secciones de marco hexagonal usando ácido poliláctico [PLA, un termoplástico biológico] porque era fácil y barato", dijo Glace.
El equipo compró 68 cañas de poliamida 6 (PA6) de fibra de carbono pultrudada de SGL Carbon (Meitingen, Alemania) para su uso como lazos. "Para probar el concepto, no hicimos ningún moldeo", dice Gleiss, "pero simplemente insertamos espaciadores en un marco de núcleo de panal impreso en 3D y los pegó con pegamento epoxi. Esto luego proporciona un mandril para enrollar el tanque ". Ella señala que aunque estas varillas son relativamente fáciles de enrollar, hay algunos problemas significativos que se describirán más adelante.
"En la primera etapa, nuestro objetivo era demostrar la capacidad de fabricación del diseño e identificar problemas en el concepto de producción", explicó Gleiss. “Por lo tanto, los puntales de tensión sobresalen de la superficie externa de la estructura esquelética, y unimos las fibras de carbono a este núcleo utilizando el devanado de filamento húmedo. Después de eso, en el tercer paso, doblamos la cabeza de cada barra de liga. Termoplástico, por lo que solo usamos el calor para remodelar la cabeza para que se aplana y se bloquee en la primera capa de envoltura. Luego procedemos a envolver la estructura nuevamente para que el cabezal de empuje plano esté geométricamente encerrado dentro del tanque. laminado en las paredes.
Tapa espaciadora para el bobinado. TUM usa tapas de plástico en los extremos de las varillas de tensión para evitar que las fibras se enreden durante el devanado 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 y el pegamento 3D fue solo para las pruebas iniciales y nos dio una idea de algunos de los problemas que encontramos. Por ejemplo, durante el devanado, los filamentos fueron capturados por los extremos de las varillas de tensión, causando rotura de fibra, daños por fibra y reduciendo la cantidad de fibra para contrarrestar esto. Utilizamos algunas tapas de plástico como ayudas de fabricación que se colocaron en los postes antes del primer paso de devanado. Luego, cuando se hicieron los laminados internos, eliminamos estas tapas protectoras y remodelamos los extremos de los postes antes de envolverse ".
El equipo experimentó con varios escenarios de reconstrucción. "Los que miran a su alrededor trabajan mejor", dice Grace. “Además, durante la fase de creación de prototipos, utilizamos una herramienta de soldadura modificada para aplicar el calor y remodelar los extremos de la varilla de enlace. En un concepto de producción en masa, tendría una herramienta más grande que puede dar forma 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 los lazos compuestos para unirse al laminado de la pared del tanque. Crédito de la imagen: "Desarrollo de un proceso de producción para recipientes a presión cúbica con aparato ortopédico", Universidad Técnica de Munich, Polymers4hidrogen Project, ECCM20, junio de 2022.
Por lo tanto, el laminado se cura después del primer paso de devanado, los postes se remodelan, el TUM completa el segundo devanado de los filamentos y luego el laminado de la pared del tanque exterior 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 de gas. Consulte la discusión en la sección de Next 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, con las cabezas de puntal que no se colocan en el laminado interior".
Resolver problemas con espacios entre el laminado de las paredes interiores y exteriores del tanque. El cabezal de la barra de enlace modificado crea una brecha 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 aún tenemos una brecha entre el laminado interior y el exterior", dijo Glace. “Así que tratamos de llenar esos vacíos con una resina limpia y de alta viscosidad. Esto en realidad mejora la conexión entre los pernos y el laminado, lo que aumenta en gran medida el estrés mecánico ".
El equipo continuó desarrollando el diseño y el proceso del tanque, incluidas las soluciones para el patrón de devanado deseado. "Los lados del tanque de prueba no estaban completamente rizados porque era difícil para esta geometría crear un camino de devanado", explicó Glace. “Nuestro ángulo de devanado inicial era de 75 °, pero sabíamos que se necesitaban múltiples circuitos para cumplir con la carga en este recipiente a presión. Todavía estamos buscando una solución a este problema, pero no es fácil con el software actualmente en el mercado. Puede convertirse en un proyecto de seguimiento.
"Hemos demostrado la viabilidad de este concepto de producción", dice Gleiss, "pero necesitamos trabajar más para mejorar la conexión entre el laminado y remodelar las barras de enlace". "Pruebas externas en una máquina de prueba. Saca los espaciadores del laminado y prueba las cargas mecánicas que esas juntas pueden soportar ”.
Esta parte del proyecto Polymers4hidrogen se completará a fines de 2023, cuando Gleis espera completar el segundo tanque de demostración. Curiosamente, los diseños de hoy usan termoplásticos reforzados en el marco y los compuestos de termoestable en las paredes del tanque. ¿Se utilizará este enfoque híbrido en el tanque de demostración final? "Sí", dijo Grace. "Nuestros socios en el proyecto Polymers4hidrogen están desarrollando resinas epoxi y otros materiales de matriz compuesta con mejores propiedades de barrera de hidrógeno". Ella enumera a 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 en el segundo proyecto Hydden desde el tanque compuesto conforme LCC.
"Produciremos un recipiente de presión compuesto conforme 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 fines de 2024 y actualmente estamos completando el recipiente a presión. Un diseño que es más un enfoque aeroespacial y automotriz. Después de esta etapa conceptual inicial, el siguiente paso es realizar un modelado estructural detallado y predecir el rendimiento de la barrera de la estructura de la pared ".
"La idea completa es desarrollar un dron exploratorio con una celda de combustible híbrida y un sistema de propulsión de la batería", continuó. Utilizará la batería durante las cargas de alta potencia (es decir, despegue y aterrizaje) y luego cambiará a la celda de combustible durante el crucero de carga de luz. "El equipo de HT ya tenía un dron de investigación y rediseñó el tren motriz para usar las baterías y las celdas de combustible", dijo Yeager. "También compraron un tanque CGH2 para probar esta transmisión".
"Mi equipo tuvo la tarea de construir un prototipo de tanque de presión que encajaría, pero no por los problemas de empaque que crearía un tanque cilíndrico", explica. “Un tanque más plano no ofrece tanta resistencia al viento. Entonces obtienes un mejor rendimiento de vuelo ". Dimensiones del tanque aprox. 830 x 350 x 173 mm.
Tanque de AFP totalmente termoplástico. Para el proyecto Hydden, el equipo LCC en TUM inicialmente exploró un enfoque similar al utilizado por Glace (arriba), pero luego se movió a un enfoque utilizando una combinación de varios módulos estructurales, que luego se usaron en exceso usando AFP (abajo). Crédito de la imagen: Universidad Técnica de Munich LCC.
"Una idea es similar al enfoque de Elisabeth [de Gleiss]", dice Yager, "aplicar aparatos ortopédicos a la pared del vaso para compensar las fuerzas de flexión altas. Sin embargo, en lugar de usar un proceso de devanado para hacer el tanque, usamos AFP. Por lo tanto, pensamos en crear una sección separada del recipiente a presión, en la que los bastidores ya están integrados. Este enfoque me permitió combinar varios de estos módulos integrados y luego aplicar una tapa final para sellar todo antes del devanado final de la AFP ".
"Estamos tratando de finalizar tal concepto", continuó, "y también comenzar a probar la selección de materiales, lo cual es muy importante para garantizar la resistencia necesaria a la penetración de gas H2. Para esto, utilizamos principalmente materiales termoplásticos y estamos trabajando en varios cómo el material afectará este comportamiento y procesamiento de permeación en la máquina AFP. Es importante comprender si el tratamiento tendrá un efecto y si se requiere algún postprocesamiento. También queremos saber si diferentes pilas afectarán la permeación de hidrógeno a través del recipiente a presión ”.
El tanque estará completamente hecho de termoplástico y las tiras serán suministradas por Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemania). "Usaremos sus materiales PPS [polifenileno sulfuro], mirada [poliéter cetona] y lm paek [cetona de poliirilo de baja fusión]", dijo Yager. "Luego se hacen comparaciones para ver cuál es mejor para la protección de la penetración y la producción de piezas con un mejor rendimiento". Espera completar las pruebas, el modelado estructural y de procesos y las primeras demostraciones dentro del próximo año.
El trabajo de investigación se llevó a cabo dentro del módulo Comet "Polymers4hidrogen" (ID 21647053) dentro del programa Comet del Ministerio Federal de Cambio Climático, el medio ambiente, la energía, la movilidad, la innovación y la tecnología y el Ministerio Federal de Tecnología Digital y Economía. . Los autores agradecen al centro de competencia de polímeros de socios participantes Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facultad de Ingeniería de Polímeros y Ciencias, Departamento de Química de Materiales Polímeros, Departamento de Ciencia de Materiales y Pruebas de Polímeros), Universidad de Tamperis (Facultad de Ingeniería de Ingeniería Materiales). ) Ciencia), la tecnología máxima y Faurecia contribuyeron a este trabajo de investigación. Comet-Modul está financiado por el Gobierno de Austria y el gobierno del Estado de Estiria.
Las hojas pre-reforzadas para estructuras de carga contienen fibras continuas, no solo de vidrio, sino también de carbono y aramida.
Hay muchas formas de hacer piezas compuestas. Por lo tanto, la elección del método para una parte particular dependerá del material, el diseño de la pieza y el uso o la aplicación final. Aquí hay una guía de selección.
Los compuestos de Shocker y R&M International están desarrollando una cadena de suministro de fibra de carbono reciclada que proporciona cero matanza, menor costo que la fibra virgen y eventualmente ofrecerá longitudes que se acercan a la fibra continua en las propiedades estructurales.
Tiempo de publicación: Mar-15-2023