BEVS-i ja FCEV-de standardsed tasapinnalised paagid kasutavad luustiku konstruktsiooniga termoplastilisi ja termosetootekomposiite, mis tagab 25% rohkem H2 ladustamist. #hüdrogeen #Trends
Pärast koostööd BMW -ga näitas, et kuupmahuti võib pakkuda suuremat mahtu kui mitmed väikesed silindrid, asus Müncheni tehnikaülikool projekti koosseisu ja seeriatootmiseks mõeldud skaleeritava tootmisprotsessi väljatöötamiseks. Kujutise krediit: Tu Dresden (ülalt) vasakul), Müncheni tehnikaülikool, süsinikukomposiitide osakond (LCC)
Kütuseelementide elektrisõidukid (FCEV-d), mille toiteallikaks on null emissioon (H2) vesinik, pakuvad täiendavaid vahendeid keskkonna sihtmärkide nulli saavutamiseks. H2 mootoriga kütuseelementide sõiduauto saab täita 5-7 minutiga ja selle vahemik on 500 km, kuid see on praegu madala tootmismahu tõttu kallim. Üks viis kulude vähendamiseks on kasutada BEV- ja FCEV -mudelite jaoks tavaplatvormi. See pole praegu võimalik, kuna 4. tüüpi silindrilised mahutid, mida kasutatakse kokkusurutud H2 gaasi (CGH2) säilitamiseks 700 baari juures FCEV -des, ei sobi alamkeha aku sektsioonidele, mis on hoolikalt ette nähtud elektrisõidukite jaoks. Padjade ja kuubikute kujul olevad survelaevad mahuvad sellesse tasasesse pakendiruumi.
Patent US5577630A „Komposiitide konformaalse rõhu anuma” jaoks, Thiokol Corp. -i esitatud taotlus 1995. aastal (vasakul) ja BMW poolt 2009. aastal patenteeritud ristkülikukujuline rõhuanum (paremal).
Müncheni tehnikaülikooli (TUM, München, Saksamaa) süsinikukomposiitide osakond osaleb selle kontseptsiooni väljatöötamiseks kahes projektis. Esimene neist on Polymers4hüdrogeen (P4H), mida juhib Leoben Polymeeri kompetentsikeskus (PCCL, Leoben, Austria). LCC tööpaketti juhib kaasõpilane Elizabeth Glace.
Teine projekt on vesiniku demonstratsiooni- ja arenduskeskkond (Hydden), kus LCC -d juhib teadlane Christian Jaeger. Mõlema eesmärk on luua tootmisprotsessi laiaulatuslik demonstratsioon sobiva CGH2 paagi valmistamiseks, kasutades süsinikkiust komposiite.
Kui väikeste läbimõõduga silindrid paigaldatakse lamedatesse akurakkudesse (vasakul) ja terasvoodritest ja süsinikkiust/epoksü komposiitkomposiit (paremal) paigaldamiseks on piiratud mahu efektiivsus. Kujutise allikas: joonised 3 ja 6 on pärit RUF ja Zaremba jt poolt sisemise pingejalaga numbrilise kujunduspõhise lähenemisviisist.
P4H on valmistanud eksperimentaalse kuubipaagi, mis kasutab termoplastilist raami koos süsinikkiuga tugevdatud epoksüga mähitud komposiitpingerihmade/tugipostidega. Hudden kasutab sarnast kujundust, kuid kõigi termoplastiliste komposiitmahutite tootmiseks kasutab automaatset kiudaineid (AFP).
Alates Thiokol Corp. patenditaotlusest kuni “komposiitkonformaalse rõhuanumani” 1995. aastal kuni Saksa patendi DE19749950C2 -ni 1997. aastal võib kokkusurutud gaasilaevadel olla mis tahes geomeetriline konfiguratsioon ”, kuid eriti tasane ja ebaregulaarne kuju, mis on ühendatud kooretoega. Kasutatakse elemente nii, et need taluksid gaasi laienemisjõudu.
2006. aasta Lawrence Livermore'i riikliku labori (LLNL) artikkel kirjeldab kolme lähenemisviisi: hõõgniithaavade konformaalne rõhuanuk, mikrolattici rõhuanuk, mis sisaldab sisemist ortohombi võre struktuuri (väikesed rakud 2 cm või vähem), ümbritsetud õhukese seinaga H2-konstruktsiooniga (replici-i konstruktsioonist) (replici-konstruktsioonist) (replici-i konsistent) (replici, konsistent) (replic, konsisteerimisega), mis on rikutud Plaxy, konsigmendiga, replic, konsisteerimisega, mis on replici-plastikust, konsigmeeriga konsigmeeriga konsigmeri konsoolne konstruktsioon. ja õhukese välimise koore naha koostis. Koopiamahutid sobivad kõige paremini suuremate konteinerite jaoks, kus traditsioonilisi meetodeid võib olla keeruline rakendada.
Patent DE102009057170A, mille 2009. aastal Volkswageni esitas, kirjeldab sõidukile kinnitatud rõhunumbi, mis tagab suure kehakaalu efektiivsuse, parandades samal ajal ruumi kasutamist. Ristkülikukujulised mahutid kasutavad kahe ristkülikukujulise vastase seina vahel pingeühendusi ja nurgad on ümardatud.
Gleiss jt. ECCM20 (26.-30. Juuni 2022, Lausanne, Šveits). Selles artiklis tsiteerib ta Michael Roof ja Sven Zaremba avaldatud TUM -uuringut, mis leidis, et ristkülikukujulisi külgi ühendavate pingetrükkidega kuupsurve anum on tõhusam kui mitmed väikesed silindrid, mis sobivad lameda aku ruumi, pakkudes umbes 25% rohkem. salvestusruum.
Gleiss andmetel on probleemiks suure hulga väikeste 4. tüüpi silindrite paigaldamisega lamedale juhtumile, et „silindrite vaheline maht on tunduvalt vähenenud ja süsteemil on ka väga suur H2 gaasi läbitungimispind. Üldiselt pakub süsteem vähem salvestusmahtu kui kuuppurgid. ”
Kuid paagi kuupkujundusega on ka muid probleeme. "Ilmselt peate kokkusurutud gaasi tõttu vastu võtma tasaste seinte paindejõududele," ütles Gleiss. „Selleks vajate tugevdatud struktuuri, mis ühendatakse sisemiselt paagi seintega. Kuid seda on komposiitidega raske teha. ”
Glace ja tema meeskond üritasid tugevdada tugevdavaid pingeribasid survenumasse viisil, mis sobiks hõõgniidi mähise jaoks. "See on oluline suure mahuga tootmise jaoks," selgitab ta, "ja võimaldab meil ka konstrueerida konteineri seinte mähise mustri, et optimeerida kiu orientatsiooni iga tsoonis oleva koorma jaoks."
Neli sammu P4H projekti jaoks proovikuublikul komposiitpaagi valmistamiseks. Kujutise krediit: “Kuupulgade rõhuanumate tootmisprotsessi arendamine”, Müncheni tehnikaülikool, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, juuni 2022.
Ahela saavutamiseks on meeskond välja töötanud uue kontseptsiooni, mis koosneb neljast peamisest etapist, nagu eespool näidatud. Pingetingid, mida etappidel on mustanahaliselt näidatud, on kokkupandanud raamistruktuur, mis on valmistatud Mai Skeletti projektist võetud meetodite abil. Selle projekti jaoks töötas BMW välja esiklaasi raami “raamistiku”, kasutades nelja kiuduga tugevdatud pulterimisvarda, mis seejärel vormiti plastraamiks.
Eksperimentaalse kuuppaagi raam. Kuusnurksed skeleti lõigud 3D, mis on trükitud TUM -iga, kasutades tugevdamata PLA -hõõgniidi (ülemine), sisestades CF/PA6 pulterimisvardad pingetreksidena (keskel) ja mähkides hõõgniidi trakside (alt) ümber. Kujutise krediit: Müncheni LCC tehnikaülikool.
"Idee on see, et saate moodulkonstruktsioonina ehitada kuuppaagi raami," sõnas Glace. "Need moodulid paigutatakse seejärel vormimisriista, pingetugid asetatakse raamimoodulitesse ja seejärel kasutatakse tugipostide ümber Mai Skeletti meetodit, et need raamiosadega integreerida." Masstootmismeetod, mille tulemuseks on struktuur, mida seejärel kasutatakse mandri või südamikuna ladustamispaagi komposiitkesta mähkimiseks.
TUM kavandas paagiraami kuupkupse “polsterdusena” tahkete külgede, ümarate nurkade ja üla- ja alaosa kuusnurkse muster, mille kaudu saab sidemeid sisestada ja kinnitada. Nende nagide augud olid ka 3D -trükitud. "Meie esialgse eksperimentaalse paagi jaoks trükisime 3D-kuusnurkse raami sektsioonid, kasutades polülaktiinhapet [PLA, biopõhine termoplastne], kuna see oli lihtne ja odav," sõnas Glace.
Meeskond ostis sidemetena kasutamiseks 68 puhutatud süsinikkiust tugevdatud polüamiidi 6 (PA6) varraseid SGL süsinikust (Meitinen, Saksamaa). "Kontseptsiooni testimiseks ei teinud me mingit vormi," ütleb Gleiss, "vaid sisestas vahetükid lihtsalt 3D -trükitud kärgstruktuuri südamiku raamisse ja liimis need epoksü liimiga. Seejärel annab see paagi keeramiseks mandri. ” Ta märgib, et kuigi neid vardaid on suhteliselt lihtne tuulega, on mõned olulised probleemid, mida hiljem kirjeldatakse.
"Esimeses etapis oli meie eesmärk näidata disaini tootlikkust ja tuvastada probleeme tootmis kontseptsioonis," selgitas Gleiss. „Nii et pinge tugipunkte ulatub skeleti struktuuri välispinnalt ja kinnitame süsinikkiud selle südamiku külge, kasutades niiske hõõgniidi mähist. Pärast seda painutame kolmandas etapis iga lipsuvarda pea. Termoplastiline, nii et kasutame pea ümberkujundamiseks lihtsalt kuumust nii, et see lameneks ja lukustuks esimesse mähkimiskihti. Seejärel jätkame konstruktsiooni uuesti, nii et tasane tõukejõu pea oleks paagis geomeetriliselt suletud. Laminaat seintel.
Vahetükkide kork mähiseks. TUM kasutab pingevardade otstes plastkorke, et kiudude hõõgniidi mähise ajal ei sassi. Kujutise krediit: Müncheni LCC tehnikaülikool.
Glace kordas, et see esimene paak oli kontseptsiooni tõend. „3D -printimise ja liimi kasutamine oli ainult esialgseks testimiseks ja andis meile ettekujutuse mõnedest probleemidest, millega me kokku puutusime. Näiteks mähise ajal püüti hõõgniidid pingevardade otsad, põhjustades kiu purunemist, kiudastusi ja vähendades kiudude kogust selle vastu. Enne esimest mähiseetappi kasutasime poolakatele paigutatud tootmisabidena mõnda plastmütsi. Seejärel eemaldasime sisemised laminaadid need kaitsemütsid ja muutsime pooluste otsad enne lõplikku pakkimist ümber. ”
Meeskond katsetas erinevaid rekonstrueerimise stsenaariume. "Need, kes ringi vaatavad, töötavad kõige paremini," ütleb Grace. „Ka prototüüpimisfaasis kasutasime kuumuse kandmiseks ja lipsuvarda otsa muutmiseks modifitseeritud keevitusriist. Masstootmise kontseptsioonis oleks teil üks suurem tööriist, mis suudab samal ajal kujundada ja moodustada tugiposti otsad siseviimistluseks laminaatiks. . "
Joonistatud pead ümber kujundatud. Tum katsetas erinevaid mõisteid ja muutis keevisõmblusi, et viia komposiitsidemete otsad paagi seinalaminaadi külge kinnitamiseks. Kujutise krediit: “Kuupulgade rõhuanumate tootmisprotsessi arendamine”, Müncheni tehnikaülikool, Polymers4hydrogen Project, ECCM20, juuni 2022.
Seega ravitakse laminaat pärast esimest mähisetappi, postitused ümber, tuum täidab hõõgniitide teise mähise ja seejärel ravitakse välimine paagi seina laminaat teist korda. Pange tähele, et see on 5. tüüpi paagi kujundus, mis tähendab, et sellel pole gaasibarjäärina plastist vooderdust. Vaadake allpool järgmiste sammude arutelu.
"Lõikasime esimese demo ristlõikeks ja kaardistasime ühendatud ala," ütles Glace. "Lähivõte näitab, et meil oli laminaadiga mõningaid kvaliteediprobleeme, kusjuures tugipead ei lasknud sisemuses laminaadile tasaseks."
Paagi sise- ja välisseinte laminaadi vaheliste probleemide lahendamine. Muudetud lipsuvarda pea loob erineva eksperimentaalse paagi esimese ja teise pöörde vahel. Kujutise krediit: Müncheni LCC tehnikaülikool.
See esialgne 450 x 290 x 80mm paak viidi lõpule eelmisel suvel. "Oleme sellest ajast alates palju edusamme teinud, kuid meil on siiski lõhe sise- ja välismaiste vahel," sõnas Glace. “Nii et proovisime neid lünki puhta, suure viskoossusega vaiguga täita. See parandab tegelikult naastude ja laminaadi vahelist seost, mis suurendab oluliselt mehaanilist pinget. ”
Meeskond jätkas paagi kujundamise ja protsessi arendamist, sealhulgas soovitud mähise mustri lahendusi. "Katsepaagi küljed ei olnud täielikult kõverdatud, kuna sellel geomeetrial oli keeruline luua mähkimist," selgitas Glace. „Meie esialgne mähisenurk oli 75 °, kuid me teadsime, et selle rõhunumbri koormuse täitmiseks on vaja mitut vooluringi. Otsime endiselt sellele probleemile lahendust, kuid praegu turul oleva tarkvaraga pole see lihtne. Sellest võib saada järelprojekt.
"Oleme demonstreerinud selle tootmiskontseptsiooni teostatavust," ütleb Gleiss, "kuid peame laminaadi vahelise ühenduse parandamiseks ja lipsuvarraste vahelise ühenduse parandamiseks edasi töötama. “Väline testimine testimismasinas. Tõmbate vahetükid laminaadist välja ja testite mehaanilisi koormusi, mida need vuugid taluvad. ”
See Polymers4hüdrogeeni projekti osa valmib 2023. aasta lõpus, selleks ajaks loodab Gleis teise demonstratsioonipaagi lõpule viia. Huvitav on see, et tänapäeval kasutavad disainilahendused kaadris kenad tugevdatud termoplastid ja termoseeti komposiidid paagi seintes. Kas seda hübriidset lähenemist kasutatakse lõplikus demonstratsioonipaagis? "Jah," ütles Grace. "Meie Polymers4hydrogeni projekti partnerid arendavad epoksüvaikusid ja muid komposiitmaatriksi materjale, millel on paremad vesiniku barjääriomadused." Ta loetleb kaks selle töö kallal töötavat partnerit, PCCL ja Tampere'i ülikool (Tampere, Soome).
Gleiss ja tema meeskond vahetasid ka teavet Jaegeriga LCC konformaalse komposiitpaagi teise Huddeni projektiga ideid.
"Me toome uurimisdroonide jaoks konformaalse komposiitrõhuanuma," ütleb Jaeger. „See on koostöö lennunduse kahe osakonna ja TUM -i geodeetilise osakonna - LCC ja helikopteritehnoloogia osakonna (HT) vahel. Projekt valmib 2024. aasta lõpuks ja praegu täidame survenuma. Kujundus, mis on pigem kosmose- ja autotööstus. Pärast seda esialgset kontseptsiooni etappi on järgmine samm läbi viia üksikasjalik struktuurne modelleerimine ja ennustada seinakonstruktsiooni tõkke jõudlust. ”
"Kogu idee on välja töötada uurimuslik droon koos hübriidkütuseelementide ja aku tõukejõusüsteemiga," jätkas ta. See kasutab aku suure võimsuse ajal (st õhkutõus ja maandumine) ja lülitub kergekoormuse ajal kütuseelemendile. "HT -meeskonnal oli juba uurimistöö droon ja kujundas jõuülekande nii akude kui ka kütuseelementide kasutamiseks," ütles Yeager. "Nad ostsid selle käigukasti testimiseks ka CGH2 paagi."
"Minu meeskonnale tehti ülesandeks ehitada mahutatav survepaagi prototüüp, kuid mitte pakkimisprobleemide tõttu, mille silindrilise paagi looks," selgitab ta. “Lamedam paak ei paku nii palju tuuletakistust. Nii et saate parema lennu jõudluse. ” Paagi mõõtmed u. 830 x 350 x 173 mm.
Täielikult termoplastiline AFP nõuetele vastav paak. Hyddeni projekti jaoks uuris TUM -i LCC meeskond algselt sarnast lähenemisviisi Glace'i (ülal) kasutatavaga, kuid liikus seejärel lähenemisviisile, kasutades mitme struktuurimooduli kombinatsiooni, mida seejärel kasutati AFP abil (allpool). Kujutise krediit: Müncheni LCC tehnikaülikool.
"Üks idee sarnaneb Elisabethi [Gleiss's] lähenemisega," ütleb Yager, "rakendada veresoonte seinale pingetraksid, et kompenseerida kõrgeid paindejõude. Kuid selle asemel, et paagi valmistamiseks mähise protsessi kasutada, kasutame AFP -d. Seetõttu mõtlesime luua survenuma eraldi sektsiooni, milles nagid on juba integreeritud. See lähenemisviis võimaldas mul ühendada mitu neist integreeritud moodulitest ja seejärel rakendada lõpliku AFP -mähise pitseerimiseks lõppkork. ”
"Püüame sellise kontseptsiooni lõpule viia," jätkas ta, "ja hakkame testima ka materjalide valiku, mis on väga oluline, et tagada vajalik vastupidavus H2 gaasi tungimisele. Selleks kasutame peamiselt termoplastilisi materjale ja töötame mitmesuguste kallal, kuidas materjal mõjutab seda läbitungimiskäitumist ja töötlemist AFP masinas. Oluline on mõista, kas ravi avaldab mõju ja on vaja mingit järeltöötlust. Samuti tahame teada, kas erinevad virnad mõjutavad vesiniku läbitungimist rõhunumbri kaudu. ”
Paak on täielikult valmistatud termoplastilisest ja ribasid tarnib Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Saksamaa). "Me kasutame nende PPS [polüfenüleensulfiidi], Peek [Polyether ketooni] ja LM Paek [madala sulamisega polüarüülketooni] materjalid," ütles Yager. "Seejärel tehakse võrdlusi, et näha, milline neist on kõige parem läbitungimise kaitseks ja parema jõudlusega osade tootmiseks." Ta loodab järgmise aasta jooksul lõpule viia testimise, struktuuri- ja protsesside modelleerimise ning esimesed meeleavaldused.
Uurimistööd viidi läbi komeedi moodulis “Polymers4hydrogen” (ID 21647053) föderaalse kliimamuutuste ministeeriumi, keskkonna, energia, liikuvuse, innovatsiooni ja tehnoloogia ning föderaalse digitaalse tehnoloogia ja majanduse ministeeriumis. . Autorid tänavad osalevaid partnerite polümeeri kompetentsikeskust Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leobenit (polümeeritehnika ja teaduse teaduskond, polümeermaterjalide keemia osakond, materjaliteaduse osakond ja polümeeritestide osakond), Tampere'i ülikool (insenerimaterjalid). ) Teadus), tipptehnoloogia ja Faurecia aitasid sellesse uurimistööd kaasa. Komet-modulit rahastavad Austria valitsus ja Styria osariigi valitsus.
Koormuskandvate konstruktsioonide eelnevalt tugevdatud lehed sisaldavad pidevaid kiude-mitte ainult klaasist, vaid ka süsinikust ja aramiidist.
Komposiitosade valmistamiseks on palju võimalusi. Seetõttu sõltub konkreetse osa meetodi valik materjalist, osa kujundusest ja lõpptarbimisest või rakendusest. Siin on valikujuhend.
Shockeri komposiidid ja R&M International töötavad välja ringlussevõetud süsinikkiust tarneahela, mis tagab null tapmise, madalamad kulud kui neitsi kiudained ja pakub lõpuks pikkuseid, mis lähenevad pidevale kiudainetele konstruktsiooniomadustes.
Postiaeg: 15. märts2023