BEV eta FCEVentzako plataforma lauko tanke estandarrak konposite termoplastikoak eta termoegonkorrak erabiltzen dituzte, %25 H2 biltegiratze gehiago eskaintzen duten hezurdurazko eraikuntza batekin. #hidrogenoa #joerak
BMW-ekin lankidetzak tanke kubiko batek zilindro txiki anitzek baino eraginkortasun bolumetriko handiagoa eman zezakeela erakutsi ostean, Municheko Unibertsitate Teknikoak serieko ekoizpenerako egitura konposatu bat eta fabrikazio prozesu eskalagarri bat garatzeko proiektuari ekin zion. Irudiaren kreditua: TU Dresden (goian) ezkerrean, Municheko Unibertsitate Teknikoa, Karbono Konposatuen Saila (LCC)
Zero isuriko (H2) hidrogenoz elikatzen diren erregai-pilen ibilgailu elektrikoek (FCEV) baliabide osagarriak eskaintzen dituzte ingurumen-helburu zero lortzeko. H2 motorra duen erregai-pilen auto bat 5-7 minututan bete daiteke eta 500 km-ko autonomia du, baina gaur egun garestiagoa da ekoizpen-bolumen txikia duelako. Kostuak murrizteko modu bat BEV eta FCEV modeloetarako plataforma estandar bat erabiltzea da. Gaur egun ezinezkoa da H2 gas konprimitua (CGH2) 700 baretan biltegiratzeko erabiltzen diren 4 motako tanke zilindrikoak ez direlako egokiak ibilgailu elektrikoetarako arretaz diseinatu diren karrozeria azpiko bateria-konpartimentuetarako. Hala ere, presio-ontziak burko eta kubo moduan sar daitezke ontziratzeko espazio lau honetan.
US5577630A patentea "Presio konformako ontzi konposatua", Thiokol Corp-ek 1995ean aurkeztutako eskaera (ezkerrean) eta BMW-k 2009an patentatutako presio-ontzi angeluzuzena (eskuinean).
Municheko Unibertsitate Teknikoko (TUM, Munich, Alemania) Karbono Konposatuen Sailak (LCC) kontzeptu hori garatzeko bi proiektutan parte hartzen du. Lehenengoa Polymers4Hydrogen (P4H) da, Leoben Polymer Competence Center-ek (PCCL, Leoben, Austria) zuzenduta. LCC lan paketea Elizabeth Glace kidea da.
Bigarren proiektua Hydrogeno Demonstration and Development Environment (HyDDen) da, non LCC Christian Jaeger ikertzaileak zuzentzen duen. Biek karbono-zuntzezko konpositeak erabiliz CGH2 tanke egoki bat egiteko fabrikazio-prozesuaren eskala handiko erakustaldia sortzea dute helburu.
Eraginkortasun bolumetriko mugatua dago diametro txikiko zilindroak bateria lauetan (ezkerrean) eta altzairuzko estalkiz eta karbono-zuntzezko/epoxi konposatuzko kanpoko zorroz egindako 2 motako presio-ontzi kubikoetan instalatzen direnean (eskuinean). Irudiaren iturria: 3. eta 6. irudiak Ruf eta Zaremba et al-ek egindako "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs"koak dira.
P4H-k kubo-tanga esperimental bat fabrikatu du, marko termoplastiko bat erabiltzen duena, karbono-zuntzez indartutako epoxian bildutako tentsio-uhal/zutoin konposatuekin. HyDDen-ek antzeko diseinua erabiliko du, baina zuntz-geruza automatikoa (AFP) erabiliko du konposite termoplastikoko tanke guztiak fabrikatzeko.
Thiokol Corp.-k egindako patente-eskaera batetik 1995ean "Presio konformako ontzi konposatu"ra arte, 1997an DE19749950C2 patente alemaniarra arte, gas konprimitutako ontziek "edozein konfigurazio geometrikoa izan dezakete", baina batez ere forma lauak eta irregularrak, oskolaren euskarriari lotutako barrunbe batean. . elementuak gasaren hedapen-indarra jasan ahal izateko erabiltzen dira.
2006ko Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) paper batek hiru ikuspegi deskribatzen ditu: harizpi zauritutako presio konformako ontzi bat, barruko sare ortorrombikoko egitura (2 cm-ko edo gutxiagoko zelula txikiak) duen mikrosarearen presio-ontzi bat, horma meheko H2 ontzi batez inguratuta, eta erreplikatzaile-edukiontzi bat, itsatsitako pieza txikiz (adibidez, plastikozko eraztun hexagonalak) eta kanpoko oskol-azala mehez osatutako barne-egituraz osatua. Ontzi bikoiztuak ontzi handiagoetarako egokiak dira metodo tradizionalak aplikatzea zaila izan daitekeen.
Volkswagenek 2009an aurkeztutako DE102009057170A patenteak ibilgailuan muntatutako presio-ontzi bat deskribatzen du, pisu-eraginkortasun handia emango duena espazioaren erabilera hobetzen duen bitartean. Tanke angeluzuzenak tentsio-konektoreak erabiltzen dituzte kontrako bi horma laukizuzenen artean, eta izkinak biribildu egiten dira.
Goiko kontzeptuak eta beste kontzeptu batzuk aipatzen ditu Gleiss-ek Gleiss et al-en "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" artikuluan. ECCM20n (2022ko ekainaren 26tik 30era, Lausana, Suitza). Artikulu honetan, Michael Roof eta Sven Zarembak argitaratutako TUM ikerketa bat aipatzen du, zeinak aurkitu zuen presio-ontzi kubiko bat albo laukizuzenak lotzen dituzten tentsio-zutenak dituena eraginkorragoa dela bateria lau baten espazioan sartzen diren hainbat zilindro txiki baino eraginkorragoa dela, gutxi gorabehera 25. % gehiago. biltegiratzeko espazioa.
Gleiss-en arabera, 4 motako zilindro txiki kopuru handi bat kaxa lau batean instalatzearen arazoa zera da: “Bolinen arteko bolumena asko murrizten da eta sistemak H2 gasa iragazteko azalera oso handia du gainera. Orokorrean, sistemak ontzi kubikoak baino biltegiratze ahalmen gutxiago eskaintzen du».
Hala ere, tankearen diseinu kubikoarekin beste arazo batzuk daude. "Jakina, konprimitutako gasa dela eta, horma lauetako makurtze-indarren aurka egin behar duzu", esan zuen Gleissek. “Horretarako, deposituaren hormekin barnean lotzen den egitura sendotu bat behar duzu. Baina hori zaila da konpositeekin egitea».
Glace eta bere taldea presio-ontzian indartzeko tentsio-barrak sartzen saiatu ziren harizpien harilkatzeko prozesurako egokia izango zen moduan. "Hau garrantzitsua da bolumen handiko ekoizpenerako", azaldu du, "eta, gainera, edukiontzien hormen bihurridura-eredua diseinatzeko aukera ematen digu zonako karga bakoitzerako zuntz-orientazioa optimizatzeko".
Lau urrats P4H proiekturako proba-tanga kubiko konposatua egiteko. Irudiaren kreditua: "Presio kubikoko ontziekin giltzadun ontzien ekoizpen prozesu baten garapena", Municheko Unibertsitate Teknikoa, Polymers4Hydrogen proiektua, ECCM20, 2022ko ekaina.
Katean lortzeko, taldeak lau pauso nagusiz osatutako kontzeptu berri bat garatu du, goian erakutsi bezala. Tentsio-zutenak, eskaileretan beltzez ageri dira, MAI Skelett proiektutik hartutako metodoen bidez egindako marko-egitura aurrefabrikatu bat dira. Proiektu honetarako, BMW-ek haizetako armazoiaren "markoa" garatu zuen zuntzez indartutako lau pultrusio-barra erabiliz, eta ondoren plastikozko marko batean moldatu ziren.
Depositu kubiko esperimental baten markoa. TUMek 3D inprimatutako hezur-sekzio hexagonalak PLA harizpirik indartu gabe (goian) erabiliz, CF/PA6 pultrusio hagaxkak tentsio-giltza gisa sartuz (erdian) eta, ondoren, harizpia tiranteen inguruan bilduz (behean). Irudiaren kreditua: Municheko Unibertsitate Teknikoa LCC.
"Ideia da tanke kubiko baten markoa egitura modular gisa eraiki dezakezula", esan zuen Glacek. "Ondoren, modulu hauek moldura-tresna batean jartzen dira, tentsio-zutenak marko-moduluetan jartzen dira, eta, ondoren, MAI Skelett-en metodoa erabiltzen da strutsen inguruan, koadroko piezekin integratzeko". masa-ekoizpen-metodoa, eta, ondoren, mandril edo nukleo gisa erabiltzen den egitura sortzen da biltegiratze depositua oskola konposatua biltzeko.
TUMek tankearen markoa "kuxin" kubiko gisa diseinatu zuen, albo sendoak, ertz biribilduak eta goiko eta beheko hexagonal eredua dituena, zeinaren bidez loturak sartu eta lotu daitezkeen. Rack hauen zuloak ere 3D inprimatu ziren. "Gure hasierako depositu esperimentalerako, 3D inprimatu genituen marko hexagonalen atalak azido polilaktikoa erabiliz [PLA, bio-oinarritutako termoplastikoa] erraza eta merkea zelako", esan zuen Glacek.
Taldeak karbono-zuntzez indartutako 68 poliamida (PA6) hagaxka erosi zituen SGL Carbon-en (Meitingen, Alemania), lokailu gisa erabiltzeko. "Kontzeptua probatzeko, ez dugu moldaketarik egin", dio Gleissek, "baina tartekatzaileak txertatu ditugu 3D inprimatutako abaraska-nukleoko marko batean eta kola epoxiarekin itsatsi. Honek, ondoren, depositua biribiltzeko mandril bat eskaintzen du». Adierazi du kanabera hauek haizeratzeko nahiko errazak diren arren, gero deskribatuko diren arazo esanguratsu batzuk daudela.
"Lehen etapan, gure helburua diseinuaren fabrikagarritasuna frogatzea eta ekoizpen kontzeptuan arazoak identifikatzea izan zen", azaldu du Gleissek. "Beraz, tentsio-zutenak eskeleto-egituraren kanpoko gainazaletik irteten dira, eta karbono-zuntzak nukleo horri lotzen dizkiogu harizpi hezearen harildura erabiliz. Horren ostean, hirugarren urratsean, tirante bakoitzaren burua makurtzen dugu. termoplastikoa, beraz, beroa besterik ez dugu erabiltzen burua birmoldatzeko, berdindu eta biltzeko lehen geruzan lotu dadin. Ondoren, egitura berriro bilduko dugu, bultzada-buru laua deposituaren barruan geometrikoki itxita egon dadin. hormetan laminatua.
Biribiltzeko tarterako txanoa. TUMek plastikozko tapoiak erabiltzen ditu tentsio-haginen muturretan zuntzak harizpiak harilkatzean nahastea saihesteko. Irudiaren kreditua: Municheko Unibertsitate Teknikoa LCC.
Glacek errepikatu zuen lehen tanke hau kontzeptuaren froga bat zela. "3D inprimaketa eta kola erabiltzea hasierako probak egiteko baino ez zen eta aurkitu genituen arazo batzuen ideia bat eman zigun. Esaterako, harilkatzean, harizpiak tentsio-haginen muturretatik harrapatzen ziren, zuntz haustura, zuntzaren kaltea eraginez eta horri aurre egiteko zuntz kopurua murriztuz. plastikozko txapel batzuk erabili genituen fabrikazio-laguntza gisa, zutoinetan jarri ziren lehen harilkatu aurretik. Gero, barne-laminatuak egin zirenean, babes-txapel horiek kendu eta zutoinen muturrak moldatu genituen behin betiko bildu aurretik".
Taldeak berreraikuntzarako hainbat eszenatokirekin esperimentatu zuen. "Ingurura begiratzen dutenek lan egiten dute onena", dio Gracek. “Gainera, prototipatze fasean, soldadura-tresna aldatu bat erabili dugu beroa aplikatzeko eta tiranteen muturrak birmoldatzeko. Ekoizpen masiboko kontzeptu batean, tresna handiago bat izango zenuke, aldi berean, zutoinen mutur guztiak barruko akabera laminatu batean moldatu eta osatzeko. . ”
Tiratzeko barra-buruak moldatu dira. TUMek hainbat kontzepturekin esperimentatu zuen eta soldadurak aldatu zituen deposituaren horma laminatuari lotzeko loturen muturrak lerrokatzeko. Irudiaren kreditua: "Presio kubikoko ontziekin giltzadun ontzien ekoizpen prozesu baten garapena", Municheko Unibertsitate Teknikoa, Polymers4Hydrogen proiektua, ECCM20, 2022ko ekaina.
Horrela, laminatua lehen bihurri-pausoaren ondoren ondu egiten da, zutabeak birmoldatzen dira, TUM-ak harizpien bigarren harilkadura osatzen du eta, ondoren, kanpoko tankearen horma-laminatua bigarren aldiz sendatzen da. Kontuan izan 5 motako tankearen diseinua dela, eta horrek esan nahi du ez duela plastikozko estalkirik gas-hesi gisa. Ikusi hurrengo urratsak atalean eztabaida.
"Lehenengo demoa gurutze-ataletan moztu genuen eta konektatutako eremua mapatu genuen", esan zuen Glace-k. "Gratutik batek erakusten du kalitate-arazo batzuk izan genituela laminatuarekin, zutoin-buruak ez zirelako barruko laminatuaren gainean laua jartzen".
Deposituaren barruko eta kanpoko hormen laminatuaren arteko hutsuneen arazoak konpontzea. Aldatutako tirante buruak hutsune bat sortzen du depositu esperimentalaren lehen eta bigarren biraden artean. Irudiaren kreditua: Municheko Unibertsitate Teknikoa LCC.
Hasierako 450 x 290 x 80 mm-ko tanke hau joan den udan amaitu zen. "Aurrerapen handia egin dugu orduz geroztik, baina barruko eta kanpoko laminatuaren artean hutsune bat dugu oraindik", esan zuen Glacek. «Beraz, hutsune horiek biskositate handiko erretxina garbi batekin betetzen saiatu ginen. Honek, benetan, zorroen eta laminatuaren arteko lotura hobetzen du, eta horrek tentsio mekanikoa asko areagotzen du".
Taldeak tankearen diseinua eta prozesua garatzen jarraitu zuen, nahi den bihurgune eredurako soluzioak barne. "Proba tankearen alboak ez zeuden guztiz kizkurtuta geometria honek bide bihurri bat sortzea zaila zelako", azaldu du Glacek. «Gure hasierako bihurridura-angelua 75°-koa zen, baina bagenekien presio-ontzi honetan kargari aurre egiteko hainbat zirkuitu behar zirela. Oraindik arazo honi irtenbidea bilatzen ari gara, baina gaur egun merkatuan dagoen softwarearekin ez da erraza. Jarraipen proiektu bat bihur daiteke.
"Ekoizpen kontzeptu honen bideragarritasuna frogatu dugu", dio Gleissek, "baina gehiago lan egin behar dugu laminatuaren arteko lotura hobetzeko eta tiranteak birmoldatzeko. “Kanpoko probak proba-makina batean. Tartagailuak laminatutik ateratzen dituzu eta juntura horiek jasan ditzaketen karga mekanikoak probatzen dituzu».
Polymers4Hydrogen proiektuaren zati hau 2023aren amaieran amaituko da, eta ordurako Gleisek bigarren erakustaldiko depositua amaitzea espero du. Interesgarria da gaur egungo diseinuek armatuzko termoplastiko garbiak erabiltzen dituzte markoan eta konposite termoegonkorrak tankearen hormetan. Ikuspegi hibrido hau erabiliko al da azken erakustaldiko deposituan? "Bai", esan zuen Gracek. "Polymers4Hydrogen proiektuko gure bazkideak epoxi erretxinak eta hidrogenoaren hesiaren propietate hobeak dituzten matrize-material konposatuak garatzen ari dira". Lan honetan lanean ari diren bi bazkide zerrendatzen ditu, PCCL eta Tampere-ko Unibertsitatea (Tampere, Finlandia).
Gleissek eta bere taldeak ere informazioa trukatu zuten eta ideiak eztabaidatu zituzten Jaegerrekin LCC konposatu tankearen bigarren HyDDen proiektuan.
"Presio-ontzi konposatu konformatu bat ekoitziko dugu ikerketa-droneetarako", dio Jaegerrek. "TUM - LCC eta Helikoptero Teknologia Sailaren (HT) Saileko Aeroespaziala eta Geodesiaren Saileko bi sailen arteko lankidetza da. Proiektua 2024 amaierarako amaituko da eta presio-ontzia bukatzen ari gara. diseinu aeroespazialeko eta automobilgintzako ikuspegi bat baino gehiago. Hasierako kontzeptu-etapa honen ondoren, hurrengo urratsa egitura-modelaketa zehatza egitea eta hormaren egituraren hesiaren errendimendua aurreikustea da".
"Ideia osoa esplorazio drone bat garatzea da, erregai-pila eta bateria-propultsio sistema hibrido batekin", jarraitu zuen. Bateria potentzia handiko kargetan erabiliko du (hau da, aireratzean eta lurreratzean) eta, ondoren, erregai-pilara aldatuko da karga arinean zehar. "HT taldeak ikerketarako drone bat zeukan jada eta tren elektrikoa birdiseinatu zuen bateriak eta erregai-pilak erabiltzeko", esan zuen Yeager-ek. "CGH2 depositua ere erosi zuten transmisio hau probatzeko".
"Nire taldeari egokitu zitzaion presio deposituaren prototipoa eraikitzeari ekin zioten, baina ez depositu zilindriko batek sortuko lituzkeen ontziratze arazoengatik", azaldu du. “Depositu lauago batek ez du haizearen erresistentzia handirik eskaintzen. Beraz, hegaldien errendimendu hobea lortzen duzu». Tankaren neurriak gutxi gorabehera. 830 x 350 x 173 mm.
AFP guztiz termoplastikoa betetzen duen depositua. HyDDen proiekturako, TUMeko LCC taldeak Glace-k erabilitakoaren antzeko hurbilketa bat aztertu zuen (goian), baina, ondoren, hainbat egitura-moduluren konbinazioa erabiliz hurbilketa batera pasatu zen, gero AFP erabiliz gehiegi erabili ziren (behean). Irudiaren kreditua: Municheko Unibertsitate Teknikoa LCC.
"Ideia bat Elisabeth [Gleiss-en] planteamenduaren antzekoa da", dio Yagerrek, "ontziaren horman tentsio-giltzak aplikatzea tolestura-indar handiak konpentsatzeko. Hala ere, depositua egiteko bihurriketa-prozesua erabili beharrean, AFP erabiltzen dugu. Hori dela eta, presio-ontziaren atal bereizi bat sortzea pentsatu genuen, eta bertan rackak dagoeneko integratuta dauden. Planteamendu horri esker, integratutako modulu horietako hainbat konbinatu eta gero amaierako kapa bat aplikatzeko dena zigilatzeko azken AFP bobinatu aurretik".
«Horrelako kontzeptu bat amaitzen saiatzen ari gara», jarraitu zuen, «eta materialen aukeraketa probatzen ere hasten gara, hori oso garrantzitsua baita H2 gasa sartzeko beharrezko erresistentzia ziurtatzeko. Horretarako, batez ere material termoplastikoak erabiltzen ditugu eta materialak AFP makinan iragazpen-portaera eta prozesamendu horretan nola eragingo duen lantzen ari gara. Garrantzitsua da ulertzea tratamenduak eragina izango duen eta osteko prozesamendurik behar den. Era berean, jakin nahi dugu pila ezberdinek presio-ontziaren bidez hidrogenoaren iragazpenari eragingo dioten».
Depositua termoplastikoz osatuta egongo da eta zerrendak Teijin Carbon Europe GmbH-ek (Wuppertal, Alemania) hornituko ditu. "Beraien PPS [polifenileno sulfuroa], PEEK [polieter zetona] eta LM PAEK [urtze baxuko poliaril zetona] materialak erabiliko ditugu", esan du Yagerrek. "Ondoren, konparaketak egiten dira sartzeen babeserako zein den onena ikusteko eta errendimendu hobea duten piezak ekoizteko". Datorren urtean probak, egiturazko eta prozesuen modelizazioa eta lehenengo erakustaldiak amaitzea espero du.
Ikerketa-lana "Polymers4Hydrogen" COMET moduluaren barruan (ID 21647053) egin da, Klima Aldaketa, Ingurumen, Energia, Mugikortasun, Berrikuntza eta Teknologia Ministerio Federalaren eta Teknologia eta Ekonomia Digitaleko Ministerio Federalaren COMET programaren barruan. . Egileek eskerrak ematen dizkiete Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Polimeroen Ingeniaritza eta Zientzia Fakultatea, Material Polimeroen Kimika Saila, Materialen Zientzia eta Polimeroen Saiakuntza Saila), Tampere Unibertsitatea (Ingeniaritza Fakultatea). Materialak). ) Science), Peak Technology eta Faureciak lagundu dute ikerketa lan honetan. COMET-Modul Austriako gobernuak eta Estiria estatuko gobernuak finantzatzen dute.
Karga-egituretarako aurre-indartutako xaflek zuntz jarraituak dituzte, ez bakarrik beirakoak, baita karbonokoak eta aramidakoak ere.
Modu asko daude pieza konposatuak egiteko. Beraz, pieza jakin baterako metodoa aukeratzea materialaren, piezaren diseinuaren eta azken erabileraren edo aplikazioaren araberakoa izango da. Hona hemen hautaketa gida bat.
Shocker Composites eta R&M International birziklatutako karbono-zuntzezko hornikuntza-kate bat garatzen ari dira, zero hilketa eskaintzen duena, zuntz birjina baino kostu txikiagoa eskaintzen duena eta, azkenean, egitura-propietateetan zuntz jarraitua hurbiltzen diren luzerak eskainiko ditu.
Argitalpenaren ordua: 2023-mar-15