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 -akkuyhteisöille, 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 patenttihakemuksesta ”komposiitti konformaaliseen painealukselle” vuonna 1995 Saksan patentti DE19749950C2 vuonna 1997, pakattujen kaasuastioiden ”voi olla geometrinen konfiguraatio”, mutta erityisesti tasaiset ja epäsäännölliset muodot, ontelossa, joka on kytketty kuoren tukeen. . 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 enintään 2 cm: n solut), jota ympäröi ohut taina H2-säiliö, pienet solut, ja pienet solu ja replikaattorisäiliö, joka koostuu sisäisestä rakenteesta, joka koostuu liimattuista pienistä osista (esim. Kuusikulmainen muovi 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 % enemmän. säilytystila.
Gleissin mukaan ongelmana on asennettava suuren määrän pienen tyypin 4 sylintereitä tasaiseen tapaukseen, että ”sylinterien välinen tilavuus vähenee huomattavasti ja järjestelmässä on myös erittäin suuri H2 -kaasupäästöpinta. Kaiken kaikkiaan järjestelmä tarjoaa vähemmän tallennuskapasiteettia kuin kuutiometriä. ”
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. Mutta sitä on vaikea tehdä komposiittien kanssa. "
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", Gleiss sanoo, "mutta asetettu vain välikappaleet 3D -painettuun Honeycomb -ydinkehykseen ja liimasi ne epoksiliivulla. Tämä tarjoaa sitten manan säiliön kääntämiseen. ” 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 jännitystuki työntyvät luurakenteen ulkopinnasta ja kiinnitämme hiilikuidut tähän ytimeen märän filamentin käämityksen avulla. Sen jälkeen kolmannessa vaiheessa taivutamme kunkin solmiotangon päätä. Termoplastinen, joten käytämme vain lämpöä pään muotoiluun siten, että se tasoittuu ja lukittuu ensimmäiseen käärekerrokseen. Sitten jatkamme rakenteen käärimistä uudelleen siten, että tasainen työntöpää on geometrisesti suljettu säiliöön. Laminaatti seinillä.
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 varten ja antoi meille kuvan muutamasta kohtaamastamme ongelmista. Esimerkiksi käämityksen aikana filamentit tarttuivat jännitystankojen päihin, aiheuttaen kuidun rikkoutumista, kuituvaurioita ja vähentämällä kuidun määrää tämän torjumiseksi. Käytimme muutamia muovisia korkkeja valmistusapuvälineinä, jotka asetettiin napoihin ennen ensimmäistä käämitysvaihetta. Sitten kun sisäiset laminaatit tehtiin, poistimme nämä suojakorkit ja muutimme napojen päät ennen lopullista käärettä. "
Ryhmä kokeili erilaisia jälleenrakennusskenaarioita. "Ne, jotka katsovat ympärillesi parhaiten", Grace sanoo. ”Myös prototyyppivaiheen aikana käytimme modifioitua hitsaustyökalua lämmön levittämiseen ja solmiotangon päiden muotoiluun. Massan tuotantokonseptissa sinulla olisi yksi suurempi työkalu, joka voi muodostaa ja muodostaa kaikki tukevien päät sisätilojen laminaatiksi samanaikaisesti. . "
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 nappien ja laminaatin välistä yhteyttä, mikä lisää huomattavasti 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 painealuksen kuorman täyttämiseksi tarvitaan useita piirejä. Etsimme edelleen ratkaisua tähän ongelmaan, mutta se ei ole helppoa tällä hetkellä markkinoilla olevan ohjelmiston kanssa. Siitä voi tulla seurantaprojekti.
"Olemme osoittaneet tämän tuotantokonseptin toteutettavuuden", Gleiss sanoo, "mutta meidän on työskenneltävä edelleen parantaaksemme laminaatin yhteyden ja solmiotangon muuttamista. ”Ulkoinen testaus testikoneessa. 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 Tumin - LCC: n geodeettisen osaston ja helikopteriteknologian laitoksen (HT) välinen yhteistyö. Projekti saadaan päätökseen vuoden 2024 loppuun mennessä, ja olemme parhaillaan täydentämässä painealusta. Suunnittelu, joka on enemmän ilmailu- ja autoteollisuuden lähestymistapa. Tämän alkuperäisen konseptin vaiheen jälkeen seuraava askel on suorittaa yksityiskohtainen rakenteellinen mallintaminen ja ennustaa seinärakenteen esteen suorituskyky. ”
"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 Elisabethin [Gleissin] lähestymistapa", Yager sanoo, "soveltaa jännitysmittauslaitteita alusseinämään korkean taivutusvoimien kompensoimiseksi. Sen sijaan, että käyttäisimme käämitysprosessia säiliön valmistukseen, käytämme kuitenkin AFP: tä. Siksi ajattelimme erillisen paine -astian osan luomista, johon telineet on jo integroitu. Tämä lähestymistapa antoi minulle mahdollisuuden yhdistää useita näistä integroiduista moduuleista ja levittää päätykantaa kaiken tiivistämiseen ennen lopullista AFP -käämitystä. ”
"Yritämme viimeistellä tällaisen konseptin", hän jatkoi, "ja alamme myös testata materiaalien valintaa, mikä on erittäin tärkeää tarvittavan vastustuskyvyn varmistamiseksi H2 -kaasun tunkeutumiselle. Tätä varten käytämme pääasiassa kestomuovisia materiaaleja ja työskentelemme erilaisissa siitä, miten materiaali vaikuttaa tähän läpäisykäyttäytymiseen ja prosessointiin AFP -koneessa. On tärkeää ymmärtää, onko hoidolla vaikutus ja tarvitaanko jälkikäsittelyä. Haluamme myös tietää, vaikuttavatko eri pinot vedyn läpäisyyn painealuksen läpi. ”
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 pätevyyskeskuksessa Leoben Gmbh (PCCL, Itävalta), Montanuniversitaet Leoben (polymeeritekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta, polymeerimateriaalien kemian laitos, materiaalitieteen laitos ja polymeeritestaus), Tamperien yliopisto (tiedekunta tekniikan tiedekunnassa (tiedekunta tekniikan tiedekunnassa) Materiaalit). ) 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