BEV: n ja FCEV: n tavanomaiset litteälustat säiliöt käyttävät kestomuovisia ja termosettikomposiitteja luurankojen rakenteella, joka tarjoaa 25% enemmän H2-varastointia. #hydyn #Trends
Yhteistyön jälkeen BMW: n kanssa osoitti, että kuutiometriä pystyi tuottamaan suuremman tilavuustehokkuuden kuin useat pienet sylinterit, Münchenin tekninen yliopisto aloitti projektin komposiittirakenteen ja skaalautuvan valmistusprosessin kehittämiseksi sarjatuotantoa varten. Kuvahyvitys: Tu Dresden (ylhäältä) vasen), Münchenin tekninen yliopisto, hiilikomposiittien laitos (LCC)
Polttokennojen sähköajoneuvot (FCEV), jotka saavat nollapäästöä (H2) vety, tarjoavat lisävälineitä nolla ympäristökohteiden saavuttamiseksi. Polttokenno-matkustaja-auto, jolla on H2-moottori, voidaan täyttää 5-7 minuutissa, ja sen etäisyys on 500 km, mutta se on tällä hetkellä kalliimpi matalan tuotantomäärän vuoksi. Yksi tapa vähentää kustannuksia on käyttää vakioalusta BEV- ja FCEV -malleissa. Tämä ei tällä hetkellä ole mahdollista, koska tyypin 4 lieriömäiset säiliöt, joita käytetään painetun H2 -kaasun (CGH2) säilyttämiseen 700 barissa FCEV: issä, eivät sovellu ala -ajoneuvojen akkuosastoihin, jotka on suunniteltu huolellisesti sähköajoneuvoille. Tyynyjen ja kuutioiden muodossa olevat paineastiat kuitenkin mahtuvat tähän litteään pakkaustilaan.
Patentti US5577630A ”Composite Conformal -painealuksella”, Thiokol Corp .: n vuonna 1995 (vasen) ja suorakaiteen muotoinen paineastia, jonka BMW patentoi vuonna 2009 (oikealla).
Münchenin teknisen yliopiston (Tum, München, Saksa) hiilikomposiittien (LCC) laitos on mukana kahdessa hankkeessa tämän konseptin kehittämiseksi. Ensimmäinen on polymeerit4hydoa (P4H), jota johtaa Leoben -polymeerien pätevyyskeskus (PCCL, Leoben, Itävalta). LCC -työpakettia johtaa toinen Elizabeth Glace.
Toinen projekti on vedyn esittely- ja kehitysympäristö (Hydden), jossa LCC: tä johtaa tutkija Christian Jaeger. Molemmat pyrkivät luomaan laajamittaisen esittelyn valmistusprosessista sopivan CGH2-säiliön valmistamiseksi hiilikuitukomposiiteilla.
Tilaustehokkuus on rajoitettua, kun pienten halkaisijan sylinterit on asennettu tasaisiin akkukennoihin (vasen) ja kuutiotyypin 2 paineastiaan valmistettuina teräsvuorista ja hiilikuitu/epoksikomposiitti ulkokuoresta (oikea). Kuvan lähde: Kuviot 3 ja 6 ovat RUF: n ja Zaremba et ai.
P4H on valmistellut kokeellisen kuutiosäiliön, joka käyttää kestomuovikehystä, jossa on komposiittijännityshihnat/tukkeja, jotka on kääritty hiilikuituvahvistetulle epoksille. Hydden käyttää samanlaista mallia, mutta käyttää automaattista kuituasennusta (AFP) kaikkien kestomuovisten komposiitesäiliöiden valmistukseen.
Thiokol Corp .: n patenttisovelluksesta ”komposiitti -konformaaliseen painealukseen” vuonna 1995 saksalaiseen patenttiohjelmaan DE19749950C2 vuonna 1997 pakattujen kaasuastioiden ”voi olla geometrinen kokoonpano”, mutta erityisesti litteät ja epäsäännölliset muodot, vaipan tukeen kytkettynä onkalossa. Elementtejä käytetään siten, että ne kestävät kaasun laajenemisvoiman.
Vuoden 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) -lehdessä kuvataan kolme lähestymistapaa: filamentin haavan konformaalinen paineastia, mikrolatice-paineastia, joka sisältää sisäisen ortorombisen hilan rakenteen (pienet 2 cm: n solut), jota ympäröi ohut taina H2-säiliö ja replikaattorisäiliö, joka koostuu sisäisestä rakenteesta, joka koostuu liiallisesta pienestä osasta (eg, heksagonia, joka koostuu sidoksista. renkaat) ja koostumus ohuesta ulkokuoren ihosta. Kaksoiskappaleet sopivat parhaiten suurempiin astioihin, joissa perinteisiä menetelmiä voi olla vaikea soveltaa.
Volkswagenin vuonna 2009 jättämän patentti DE102009057170A kuvaa ajoneuvoon asennetun paineastian, joka tarjoaa suuren painon tehokkuuden parantaen samalla tilaa. Suorakulmaiset säiliöt käyttävät jännitysliittimiä kahden suorakulmaisen vastakkaisen seinän välillä, ja kulmat on pyöristetty.
Gleiss mainitsee yllä olevat ja muut käsitteet lehdessä “Prosessikehitys kuutiopaine -alusten kanssa venytyspalkissa” Gleiss et ai. ECCM20: lla (26.-30. Kesäkuuta 2022, Lausanne, Sveitsi). Tässä artikkelissa hän mainitsee Michael Roofin ja Sven Zaremban julkaiseman Tum -tutkimuksen, jonka mukaan kuutiopaine -alus, jolla on jännitystuotteet, jotka yhdistävät suorakulmaiset sivut säilytystila.
Gleissin mukaan ongelmana on asentaa suuri määrä pieniä 4 -sylintereitä tasaiseen tapaukseen, että ”sylinterien välinen tilavuus on huomattavasti vähentynyt ja järjestelmässä on myös erittäin suuri H2 -kaasun läpäisypinta.
Tankin kuutiomissuunnittelussa on kuitenkin muita ongelmia. "On selvää, että pakatun kaasun takia sinun on vastattava taivutusvoimia tasaisilla seinillä", Gleiss sanoi. "Tätä varten tarvitset vahvistetun rakenteen, joka yhdistyy sisäisesti säiliön seiniin.
Glace ja hänen tiiminsä yrittivät sisällyttää vahvistusjännityspalkkien vahvistuspaine -alukseen tavalla, joka sopii filamentin käämitysprosessiin. "Tämä on tärkeää suuren määrän tuotannossa", hän selittää, "ja antaa meille myös mahdollisuuden suunnitella konttiseinien käämityskuvio kuidun suunnan optimoimiseksi jokaiselle vyöhykkeen kuormalle."
Neljä vaihetta koe -kuutiometrin komposiittisäiliön tekemiseksi P4H -projektille. Kuvahyvitys: ”Kuutiopaine -alusten tuotantoprosessin kehittäminen ahdin kanssa”, Münchenin tekninen yliopisto, polymeerit4hydrogeeniprojekti, ECCM20, kesäkuu 2022.
Ketjun saavuttamiseksi joukkue on kehittänyt uuden käsitteen, joka koostuu neljästä päävaiheesta, kuten yllä on esitetty. Vaiheissa mustana esitetyt kireystukit ovat esivalmistettu kehysrakenne, joka on valmistettu käyttämällä MAI Skelett -projektista otettuja menetelmiä. Tätä projektia varten BMW kehitti tuulilasin rungon ”kehyksen” käyttämällä neljää kuituvahvistettua pultruusiotangoa, jotka sitten muovattiin muovikehykseen.
Kokeellisen kuutiosäiliön runko. Kuusikulmaiset luurankoosat 3D, joka on tulostettu TUM: lla käyttämällä vahvistumatonta PLA -filamenttia (ylhäältä), lisäämällä CF/PA6 -pultruusiotangot jännityshousuina (keskellä) ja kääri sitten filamentti housunkannattimien ympärille (alaosa). Kuvahyvitys: Münchenin tekninen yliopisto LCC.
"Ajatuksena on, että voit rakentaa kuutio säiliön rungon modulaariseksi rakenteeksi", Glace sanoi. "Nämä moduulit asetetaan sitten muovaustyökaluun, jännitystuotteet asetetaan kehysmoduuleihin ja sitten Mai Skelettin menetelmää käytetään tukkeiden ympärille integroimaan ne runko -osiin." Massan tuotantomenetelmä, joka johtaa rakenteeseen, jota sitten käytetään mandrelina tai ytimenä varastosäiliön komposiittikuoren käärimiseksi.
Tum suunnitteli säiliökehyksen kuutiometriä ”tyyny”, jossa on kiinteät sivut, pyöristetyt kulmat ja kuusikulmainen kuvio ylä- ja alaosaan, jonka läpi siteet voidaan asettaa ja kiinnittää. Näiden telineiden reiät tulostettiin myös 3D. "Alkuperäisessä kokeellisessa säiliössämme 3D-painetimme kuusikulmaiset runko-leikkeet käyttämällä polylaaktihappoa [PLA, biopohjainen kestomuovi], koska se oli helppoa ja halpaa", Glace sanoi.
Ryhmä osti 68 pultrudottua hiilikuituvahvistettua polyamidia 6 (PA6) sauvaa SGL Carbon (Meitingen, Saksa) käytettäväksi siteinä. "Konseptin testaamiseksi emme tehneet mitään muovausta", sanoo Gleiss, mutta yksinkertaisesti asetettu välikappaleet 3D -painettuun Honeycomb -ydinkehykseen ja liimasi ne epoksiliimalla. Hän toteaa, että vaikka nämä sauvat ovat suhteellisen helppoja tuulettaa, myöhemmin kuvataan joitain merkittäviä ongelmia.
"Ensimmäisessä vaiheessa tavoitteemme oli osoittaa suunnittelun valmistettavuus ja tunnistaa tuotantokonseptin ongelmat", Gleiss selitti. ”Joten jännitysvarastot ulkonevat luurankoon, ja kiinnitämme hiilikuidut tähän ytimeen märän filamentin käämityksessä. Sen jälkeen kolmannessa vaiheessa taipumme kunkin solmiotangon päätä. säiliö.
Välimerkki käämitykselle. Tum käyttää muovikorkkeja jännitystankojen päihin estääkseen kuitujen takertumisen filamentin käämityksen aikana. Kuvahyvitys: Münchenin tekninen yliopisto LCC.
Glace toisti, että tämä ensimmäinen säiliö oli todiste konseptista. ”3D -tulostuksen ja liiman käyttö oli vain alkuperäistä testausta ja antoi meille kuvan muutamasta kohtaamastamme ongelmista. Esimerkiksi käämityksen aikana filamentit kiinni jännitystangon päät, aiheuttaen kuidun murtumisen, kuituvaurioita ja vähentämällä kuitujen määrää tätä vastaamaan muutaman muovikappaleen. Poistettu nämä suojakorkit ja muokattiin pylväiden päät ennen lopullista käärettä. ”
Ryhmä kokeili erilaisia jälleenrakennusskenaarioita. "Ne, jotka katsovat ympärillesi parhaiten", Grace sanoo. "Myös prototyyppivaiheessa käytettiin muokattua hitsaustyökalua lämmön ja solmiotangon uudelleenmuotoiluun.
Drawbar -päät muotoilivat uudelleen. Tum kokeili erilaisia konsepteja ja modifioinut hitsauksia komposiittisolmioiden päättyjen kohdistamiseksi säiliön seinämän laminaattiin kiinnittämiseksi. Kuvahyvitys: ”Kuutiopaine -alusten tuotantoprosessin kehittäminen ahdin kanssa”, Münchenin tekninen yliopisto, polymeerit4hydrogeeniprojekti, ECCM20, kesäkuu 2022.
Siten laminaatti paranee ensimmäisen käämityksen jälkeen, pylväät muokataan, tumpa täydentää filamenttien toisen käämin ja sitten ulkoreunan seinän laminaatti paranee toisen kerran. Huomaa, että tämä on tyypin 5 säiliön muotoilu, mikä tarkoittaa, että sillä ei ole muovivuorausta kaasuesteinä. Katso keskustelu seuraavissa vaiheissa alla olevassa vaiheessa.
"Leikkasimme ensimmäisen demon poikkileikkauksiin ja kartoimme kytketyn alueen", Glace sanoi. "Lähikuva osoittaa, että meillä oli joitain laatuongelmia laminaatin kanssa, ja tukkupäät eivät makaamassa sisätiloissa."
Säiliön sisä- ja ulkoseinien laminaatin välisten aukkojen ongelmien ratkaiseminen. Muokattu solmiotangon pää luo raon kokeellisen säiliön ensimmäisen ja toisen käännöksen välillä. Kuvahyvitys: Münchenin tekninen yliopisto LCC.
Tämä alkuperäinen 450 x 290 x 80 mm: n säiliö valmistui viime kesänä. "Olemme edistyneet siitä lähtien paljon, mutta meillä on silti aukko sisä- ja ulkopinta -laminaatin välillä", Glace sanoi. "Joten yritimme täyttää nämä aukot puhtaalla, korkealla viskositeettihartsilla. Tämä todella parantaa nastat ja laminaatin välistä yhteyttä, mikä lisää suuresti mekaanista jännitystä."
Ryhmä jatkoi säiliöiden suunnittelun ja prosessin kehittämistä, mukaan lukien ratkaisut haluttuun käämityskuvioon. "Testisäiliön sivut eivät olleet täysin käpristyneitä, koska tämän geometrian oli vaikea luoda käämityspolku", Glace selitti. ”Alkuperäinen käämityskulma oli 75 °, mutta tiesimme, että tämän paineen aluksen kuorman täyttämiseksi tarvitaan useita piirejä.
"Olemme osoittaneet tämän tuotantokonseptin toteutettavuuden", sanoo Gleiss, "mutta meidän on työskenneltävä edelleen parantaaksemme laminaatin yhteyden ja solmiotangon muuttamista. Vedät välikappaleet laminaatista ja testaat mekaaniset kuormat, joita nämä liitokset kestävät. ”
Tämä osa polymeereiden4hyvihanketta saadaan päätökseen vuoden 2023 lopussa, jolloin Gleis toivoo saavansa toisen demonstraatiosäiliön. Mielenkiintoista on, että malleissa käytetään nykyään siistiä vahvistettuja kestomuovia rungossa ja termosettikomposiitteissa säiliön seinissä. Käytetäänkö tätä hybridi -lähestymistapaa lopullisessa esittelysäiliössä? "Kyllä", Grace sanoi. "Polymeereiden4hyvihankkeen kumppanimme kehittävät epoksihartseja ja muita komposiittimatriisimateriaaleja, joilla on parempia vetyesteen ominaisuuksia." Hän luettelee kaksi tämän työn parissa työskentelevää kumppania, PCCL ja Tampere -yliopisto (Tampere, Suomi).
Gleiss ja hänen tiiminsä vaihtoivat myös tietoja ja keskustelivat ideoista Jaegerin kanssa toisessa Hydden -projektissa LCC -konformaalisesta yhdistelmäsäiliöstä.
"Tuotamme konformaalisen komposiittipaine -aluksen tutkimuksen drooneille", Jaeger sanoo. ”Tämä on Tum -laitteen ja Helikopter -tekniikan laitoksen (HT) geodeettisen osaston ja Geodetic Department -yhtiön kahden osaston.
"Koko idea on kehittää tutkittava drooni, jossa on hybridipolttokenno ja akun työntöjärjestelmä", hän jatkoi. Se käyttää akkua suuritehoisten kuormitusten aikana (eli lentoonlähtö ja laskeutuminen) ja siirtyy sitten polttokennoon valonkuormituksen aikana. "HT -tiimillä oli jo tutkimus drooni ja suunniteltiin voimansiirto uudelleen käyttämään sekä paristoja että polttokennoja", Yeager sanoi. "He ostivat myös CGH2 -säiliön tämän voimansiirron testaamiseksi."
"Ryhmäni tehtävänä oli rakentaa painosäiliöprototyyppi, joka sopisi, mutta ei sylinterimäisen säiliön aiheuttamien pakkausongelmien vuoksi", hän selittää. "Tasava säiliö ei tarjoa niin paljon tuulenkestävyyttä. Joten saat paremman lennon suorituskyvyn." Tankin mitat noin. 830 x 350 x 173 mm.
Täysin termoplastinen AFP -yhteensopiva säiliö. Hydden -projektissa TUM: n LCC -ryhmä tutki alun perin samanlaista lähestymistapaa kuin GLACE (yllä) käyttämä lähestymistapa, mutta siirtyi sitten lähestymistapaan käyttämällä useiden rakennemoduulien yhdistelmää, joita sitten käytettiin liikaa käyttämällä AFP: tä (alla). Kuvahyvitys: Münchenin tekninen yliopisto LCC.
"Yksi idea on samanlainen kuin Elisabeth [Gleissin] lähestymistapa", Yager sanoo, että levitetään jännitysmiehet alusseinämään, joka kuitenkin kompensoi korkeaa taivutusvoimaa. Viimeinen AFP -käämi. ”
"Yritetään viimeistelemään tällainen käsite", hän jatkoi, ja aloita myös materiaalien valinta, joka on erittäin tärkeää varmistaaksesi tarvittava vastus H2-kaasun tunkeutumiselle. Tätä varten käytämme pääasiassa termoplastisia materiaaleja ja työskentelemme erilaisissa, kuinka materiaali vaikuttaa tähän läpäisyyn ja prosessointiin AFP-koneessa. Alus. "
Säiliö valmistetaan kokonaan kestomuovisesta ja nauhat toimittavat Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Saksa). "Käytämme heidän PPS: ää [polyfenyleenisulfidia], Peek [polyeetteriketonia] ja LM Paek [matala sulamispolyaryyliketoni] -materiaaleja", Yager sanoi. "Vertailut on sitten nähdä, mikä on parasta tunkeutumisen suojaamiseen ja osien tuottamiseen paremmalla suorituskyvyllä." Hän toivoo suorittavansa testi-, rakenne- ja prosessimallinnuksen ja ensimmäiset demonstraatiot seuraavan vuoden aikana.
Tutkimustyö suoritettiin komeettamoduulissa “polymeerit4hydrogeeni” (ID 21647053) liittovaltion ilmastomuutosministeriön, ympäristön, energian, liikkuvuuden, innovaatioiden ja teknologian sekä liittovaltion digitaalitekniikan ja taloustieteen ministeriön komeetta -ohjelmassa. . Kirjailijat kiittävät osallistuvia kumppaneita polymeerin pätevyyskeskukseen Leoben Gmbh (PCCL, Itävalta), Montanuniversitaet Leoben (polymeeritekniikan ja tieteen tiedekunta, polymeerimateriaalien kemian laitos, materiaalitieteiden laitos ja polymeeritestaus), Tamperien yliopisto (tekniikan materiaalien tiedekunta). ) Science), Peak Technology ja Faurecia osallistuivat tähän tutkimustyöhön. Komeetta-modulia rahoittavat Itävallan hallitus ja Styrian valtion hallitus.
Ennakkovahvistetut levyt kuormitusrakenteisiin sisältävät jatkuvia kuituja-paitsi lasista, myös hiilestä ja aramidista.
Yhdistelmäosien valmistamiseen on monia tapoja. Siksi tietyn osan menetelmän valinta riippuu materiaalista, osan suunnittelusta ja loppukäytöstä tai sovelluksesta. Tässä on valintaopas.
Shocker Composites ja R&M International kehittävät kierrätettyä hiilikuidun toimitusketjua, joka tarjoaa nolla teurastusta, alhaisempia kustannuksia kuin neitsyt kuitu ja tarjoaa lopulta pituuksia, jotka lähestyvät jatkuvaa kuitua rakenteellisissa ominaisuuksissa.
Viestin aika: maaliskuu 15-2023