Os tanques de plataforma plana estándar para BEV e FCEVs usan compostos termoplásticos e termoset cunha construción de esqueleto que proporciona un 25% máis de almacenamento H2. #hidróxeno #trends
Despois dunha colaboración con BMW demostrou que un tanque cúbico podería ofrecer unha maior eficiencia volumétrica que varios cilindros pequenos, a Universidade Técnica de Múnic emprendeu un proxecto para desenvolver unha estrutura composta e un proceso de fabricación escalable para a produción en serie. Crédito da imaxe: Tu Dresden (superior) á esquerda), Universidade Técnica de Múnic, Departamento de Composites de Carbon (LCC)
Os vehículos eléctricos das pilas de combustible (FCEV) alimentados por hidróxeno de emisión cero (H2) proporcionan medios adicionais para alcanzar cero obxectivos ambientais. Un coche de pasaxeiros de pilas de combustible cun motor H2 pódese cubrir en 5-7 minutos e ten un rango de 500 km, pero actualmente é máis caro debido a baixos volumes de produción. Un xeito de reducir os custos é usar unha plataforma estándar para modelos BEV e FCEV. Isto actualmente non é posible porque os tanques cilíndricos tipo 4 empregados para almacenar gas H2 comprimido (CGH2) a 700 bar en FCEV non son adecuados para os compartimentos de baterías inferiores que foron deseñados con coidado para vehículos eléctricos. Non obstante, os vasos a presión en forma de almofadas e cubos poden encaixar neste espazo de envasado plano.
Patente US5577630A para "Buque de presión conformal composto", aplicación presentada por Thiokol Corp. en 1995 (esquerda) e o buque de presión rectangular patentado por BMW en 2009 (dereita).
O Departamento de Compostos de Carbono (LCC) da Universidade Técnica de Múnic (Tum, Múnic, Alemaña) está implicado en dous proxectos para desenvolver este concepto. O primeiro é Polymers4Hidrogen (P4H), liderado polo Centro de competencias de polímero Leoben (PCCL, Leoben, Austria). O paquete de traballo LCC está dirixido por compañeiros Elizabeth Glace.
O segundo proxecto é o ambiente de demostración e desenvolvemento de hidróxeno (Hydden), onde o LCC está liderado polo investigador Christian Jaeger. Ambos teñen como obxectivo crear unha demostración a gran escala do proceso de fabricación para facer un tanque CGH2 adecuado usando compostos de fibra de carbono.
Hai unha eficiencia volumétrica limitada cando se instalan cilindros de pequeno diámetro en células de batería plana (esquerda) e vasos de presión de tipo 2 cúbicos feitos de revestimentos de aceiro e unha cuncha exterior de fibra de carbono/epoxi composta (dereita). Fonte da imaxe: As figuras 3 e 6 proceden de "Enfoque de deseño numérico para a caixa de presión de tipo II con patas de tensión interna" de RUF e Zaremba et al.
P4H fabricou un tanque de cubo experimental que usa un marco termoplástico con correas/puntas de tensión compostas envoltas en epoxi reforzada con fibra de carbono. Hydden empregará un deseño similar, pero empregará a disposición de fibras automáticas (AFP) para fabricar todos os tanques compostos termoplásticos.
Desde unha solicitude de patente de Thiokol Corp. ata "recipiente de presión conformal composto" en 1995 ata a patente alemá de19749950c2 en 1997, os vasos de gas comprimidos "poden ter calquera configuración xeométrica", pero especialmente formas planas e irregulares, nunha cavidade conectada ao soporte de cuncha. Os elementos úsanse para que soporten a forza de expansión do gas.
Un documento de Laboratorio Nacional de Lawrence Livermore de 2006 (LLNL) describe tres enfoques: un buque de presión conformal de feridas de filamento, un vaso de presión de microlatices que contén unha estrutura de celosía ortorhombica interna (células pequenas de 2 cm ou menos), rodeadas por un pequeno contedor de paredes finas, e un recipiente que consiste nunha peza de paredes delgadas, e un retrato, consistente nunha pegada de paredes (H2, e un replicador, que supón un retrato, un retrato, un retrato, un retrato, un retrato, un retrato, un retrato, un retrón, aneis) e unha composición da pel fina de cuncha exterior. Os contedores duplicados son máis adecuados para contedores máis grandes onde os métodos tradicionais poden ser difíciles de aplicar.
A patente DE102009057170A presentada por Volkswagen en 2009 describe un buque de presión montado no vehículo que proporcionará unha alta eficiencia de peso ao tempo que mellora o uso do espazo. Os tanques rectangulares usan conectores de tensión entre dúas paredes opostas rectangulares e as esquinas están redondeadas.
O anterior e outros conceptos son citados por Gleiss no papel "Desenvolvemento de procesos para vasos de presión cúbica con barras de estiramento" de Gleiss et al. en ECCM20 (26-30 de xuño de 2022, Lausanne, Suíza). Neste artigo, cita un estudo TUM publicado por Michael Roof e Sven Zaremba, que descubriu que un vaso de presión cúbica con puntas de tensión que conectan os lados rectangulares é máis eficiente que varios cilindros pequenos que se encaixan no espazo dunha batería plana, proporcionando aproximadamente un 25% máis. Espazo de almacenamento.
Segundo Gleiss, o problema coa instalación dun gran número de pequenos cilindros de tipo 4 nunha caixa plana é que "o volume entre os cilindros é moi reducido e o sistema tamén ten unha superficie de permeación de gas H2 moi grande. En xeral, o sistema proporciona menos capacidade de almacenamento que os frascos cúbicos. "
Non obstante, hai outros problemas co deseño cúbico do tanque. "Obviamente, por mor do gas comprimido, cómpre contrarrestar as forzas de flexión nas paredes planas", dixo Gleiss. "Para iso, precisa unha estrutura reforzada que se conecte internamente ás paredes do tanque. Pero iso é difícil de ver cos compostos. "
Glace e o seu equipo intentaron incorporar as barras de tensión de reforzo no recipiente de presión dun xeito que sería adecuado para o proceso de enrolamento do filamento. "Isto é importante para a produción de alto volume", explica, "e tamén nos permite deseñar o patrón de enrolamento das paredes do recipiente para optimizar a orientación á fibra para cada carga na zona."
Catro pasos para facer un tanque composto cúbico para o proxecto P4H. Crédito da imaxe: “Desenvolvemento dun proceso de produción de vasos de presión cúbica con Brace”, Universidade Técnica de Múnic, Proxecto Polymers4Hidrogen, ECCM20, xuño de 2022.
Para lograr en cadea, o equipo desenvolveu un novo concepto composto por catro pasos principais, como se mostra anteriormente. As puntas de tensión, mostradas en negro nos pasos, son unha estrutura prefabricada de cadros fabricada usando métodos tomados do proxecto Mai Skelett. Para este proxecto, BMW desenvolveu un marco de parabrisas "marco" usando catro barras de pultrusión reforzadas con fibra, que logo foron moldeadas nun marco de plástico.
O marco dun tanque cúbico experimental. Seccións esqueléticas hexagonales 3D impresas por TUM usando filamento PLA non reforzado (superior), inserindo barras de pultrusión CF/PA6 como claves de tensión (medio) e logo envolvendo o filamento arredor das claves (inferior). Crédito da imaxe: Universidade Técnica de Múnic LCC.
"A idea é que podes construír o marco dun tanque cúbico como estrutura modular", dixo Glace. "Estes módulos colócanse nunha ferramenta de moldura, as puntas de tensión colócanse nos módulos de fotograma e logo úsase o método de Mai Skelett ao redor das puntas para integralas coas partes do cadro." Método de produción en masa, obtendo unha estrutura que logo se usa como mandril ou núcleo para envolver a cuncha composta do tanque de almacenamento.
Tum deseñou o marco do tanque como un "coxín" cúbico con lados sólidos, esquinas redondeadas e un patrón hexagonal na parte superior e inferior a través do cal se poden inserir e unir os lazos. Os buracos para estes racks tamén foron impresos en 3D. "Para o noso tanque experimental inicial, seccións de cadros hexagonales impresos en 3D usando ácido poliláctico [PLA, un termoplástico baseado en bio] porque era fácil e barato", dixo Glace.
O equipo mercou 68 varillas de poliamida 68 pultradas de fibra de carbono reforzadas por fibras 6 (PA6) de SGL Carbon (Meitingen, Alemaña) para o seu uso como lazos. "Para probar o concepto, non fixemos ningunha moldura", di Gleiss, "senón simplemente inserimos espaciadores nun marco de núcleo de panal impreso en 3D e pegounos con cola epoxi. A continuación, proporciona un mandril para sinalar o tanque. " Ela observa que, aínda que estas varas son relativamente fáciles de virar, hai algúns problemas significativos que se describirán máis adiante.
"Na primeira etapa, o noso obxectivo era demostrar a fabricación do deseño e identificar problemas no concepto de produción", explicou Gleiss. "Así, a tensión sae da superficie exterior da estrutura esquelética, e unimos as fibras de carbono a este núcleo usando enrolamento de filamentos húmidos. Despois diso, no terceiro paso, dobramos a cabeza de cada vara de gravata. termoplástico, polo que só usamos calor para remodelar a cabeza para que se aplane e se bloquee na primeira capa de envoltura. A continuación, procedemos a envolver a estrutura de novo para que a cabeza de empuxe plana estea xeométricamente pechada dentro do tanque. laminado nas paredes.
Capón espacial para o enrolamento. TUM usa tapóns de plástico nos extremos das barras de tensión para evitar que as fibras se enreden durante o enrolamento do filamento. Crédito da imaxe: Universidade Técnica de Múnic LCC.
Glace reiterou que este primeiro tanque era unha proba de concepto. "O uso de impresión e cola 3D foi só para probas iniciais e deunos unha idea dalgúns dos problemas que atopamos. Por exemplo, durante o enrolamento, os filamentos quedaron capturados polos extremos das barras de tensión, causando rotura de fibras, danos na fibra e reducindo a cantidade de fibra para contrarrestar isto. Utilizamos algúns tapóns de plástico como axudas de fabricación que se colocaron nos polos antes do primeiro paso sinuoso.
O equipo experimentou con varios escenarios de reconstrución. "Os que miran ao redor funcionan mellor", di Grace. "Ademais, durante a fase de prototipado, empregamos unha ferramenta de soldadura modificada para aplicar calor e remodelar os extremos da vara de gravata. Nun concepto de produción en masa, terías unha ferramenta máis grande que poida dar forma e formar todos os extremos dos puntas nun acabado interior laminado ao mesmo tempo. . ”
As cabezas da barra de debuxo remodeláronse. TUM experimentou con diferentes conceptos e modificou as soldaduras para aliñar os extremos dos lazos compostos para unirse ao laminado da parede do tanque. Crédito da imaxe: “Desenvolvemento dun proceso de produción de vasos de presión cúbica con Brace”, Universidade Técnica de Múnic, Proxecto Polymers4Hidrogen, ECCM20, xuño de 2022.
Así, o laminado cúrmase despois do primeiro paso sinuoso, os postos son remodelados, o TUM completa o segundo enrolamento dos filamentos e, a continuación, o laminado da parede do tanque exterior cúrmase por segunda vez. Teña en conta que se trata dun deseño de tanques tipo 5, o que significa que non ten un forro de plástico como barreira de gas. Vexa a discusión na sección Seguinte pasos a continuación.
"Cortamos a primeira demostración en seccións transversais e mapeamos a zona conectada", dixo Glace. "Un primeiro plano demostra que tiñamos algúns problemas de calidade co laminado, coas cabezas de puntas que non se puxeron no laminado interior".
Resolución de problemas de lagoas entre o laminado das paredes interiores e externas do tanque. A cabeza de barra modificada crea unha fenda entre a primeira e a segunda volta do tanque experimental. Crédito da imaxe: Universidade Técnica de Múnic LCC.
Este tanque inicial de 450 x 290 x 80 mm completouse o verán pasado. "Fixemos moitos progresos desde entón, pero aínda temos un oco entre o interior e o laminado exterior", dixo Glace. "Así que intentamos cubrir esas lagoas cunha resina de alta viscosidade limpa. Isto mellora realmente a conexión entre os cravos e o laminado, o que aumenta enormemente a tensión mecánica. "
O equipo continuou a desenvolver o deseño e proceso do tanque, incluíndo solucións para o patrón de sinuxe desexado. "Os lados do tanque de proba non estaban completamente enrolados porque era difícil para esta xeometría crear un camiño sinuoso", explicou Glace. "O noso ángulo inicial de enrolamento era de 75 °, pero sabiamos que se necesitaban múltiples circuítos para cumprir a carga neste recipiente de presión. Seguimos buscando unha solución a este problema, pero non é fácil co software actualmente no mercado. Pode converterse nun proxecto de seguimento.
"Demostramos a viabilidade deste concepto de produción", di Gleiss, "pero necesitamos traballar aínda máis para mellorar a conexión entre o laminado e remodelar as barras. “Probas externas nunha máquina de proba. Saca os espaciadores do laminado e probas as cargas mecánicas que esas articulacións poden soportar. "
Esta parte do proxecto Polymers4Hidrogen completarase a finais de 2023, momento no que Gleis espera completar o segundo tanque de demostración. Curiosamente, os deseños hoxe usan termoplásticos reforzados no cadro e os compostos termosetes nas paredes do tanque. Utilizarase este enfoque híbrido no tanque de demostración final? "Si", dixo Grace. "Os nosos socios do proxecto Polymers4Hidróxeno están a desenvolver resinas epoxi e outros materiais de matriz composta con mellores propiedades de barreira de hidróxeno". Enumera dous socios que traballan neste traballo, PCCL e a Universidade de Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss e o seu equipo tamén intercambiaron información e discutiron ideas con Jaeger no segundo proxecto Hydden do tanque composto conforme LCC.
"Estaremos producindo un buque de presión composto conformal para drons de investigación", di Jaeger. "Esta é unha colaboración entre os dous departamentos do Departamento de Aeroespacial e Xeodética de Tum - LCC e o Departamento de Tecnoloxía do Helicóptero (HT). O proxecto completarase a finais de 2024 e actualmente estamos a completar o buque de presión. Un deseño que é máis un enfoque aeroespacial e automotriz. Despois desta etapa de concepto inicial, o seguinte paso é realizar un modelado estrutural detallado e predicir o rendemento da barreira da estrutura da parede. "
"Toda a idea é desenvolver un drone exploratorio cunha pila de combustible híbrido e un sistema de propulsión da batería", continuou. Usará a batería durante as cargas de alta potencia (é dicir, o despegue e o desembarco) e logo cambiará á pila de combustible durante o cruceiro de carga lixeira. "O equipo de HT xa tiña un drone de investigación e rediseñou o motor para usar tanto baterías como pilas de combustible", dixo Yeager. "Tamén mercaron un tanque CGH2 para probar esta transmisión."
"O meu equipo tiña o traballo de construír un prototipo de tanque de presión que se axustaba, pero non polos problemas de envasado que crearía un tanque cilíndrico", explica. "Un tanque máis liso non ofrece tanta resistencia ao vento. Entón obtén un mellor rendemento de voo. " Dimensións do tanque aprox. 830 x 350 x 173 mm.
Tanque totalmente termoplástico compatible con AFP. Para o proxecto Hydden, o equipo de LCC de TUM explorou inicialmente un enfoque similar ao empregado por Glace (arriba), pero logo trasladouse a un enfoque usando unha combinación de varios módulos estruturais, que logo foron utilizados usando AFP (a continuación). Crédito da imaxe: Universidade Técnica de Múnic LCC.
"Unha idea é semellante ao enfoque de Elisabeth [Gleiss]", di Yager, "aplicar claves de tensión á parede do buque para compensar as altas forzas de flexión. Non obstante, en vez de usar un proceso de enrolamento para facer o tanque, empregamos AFP. Polo tanto, pensamos en crear unha sección separada do buque de presión, no que os racks xa están integrados. Este enfoque permitiume combinar varios destes módulos integrados e logo aplicar unha tapa final para selar todo antes do enrolamento final da AFP. "
"Estamos intentando finalizar este concepto", continuou, "e tamén comeza a probar a selección de materiais, o que é moi importante para garantir a resistencia necesaria á penetración do gas H2. Para iso, empregamos principalmente materiais termoplásticos e estamos a traballar en varios como o material afectará a este comportamento e procesamento de permeación na máquina AFP. É importante entender se o tratamento terá un efecto e se é necesario algún post-procesamento. Tamén queremos saber se diferentes pilas afectarán a permeación de hidróxeno a través do buque de presión. "
O tanque estará completamente feito de termoplástico e as tiras serán subministradas por Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Alemaña). "Estaremos usando o seu PPS [sulfuro de polifenileno], peek [poliéter cetona] e LM paek [baixa fusión polyaryl cetona]", dixo Yager. "As comparacións fanse para ver cal é a mellor para a protección da penetración e producir pezas cun mellor rendemento." Espera completar probas, modelado estrutural e de procesos e primeiras demostracións no próximo ano.
O traballo de investigación realizouse dentro do módulo de cometa "Polymers4Hidrogen" (ID 21647053) dentro do programa de cometas do Ministerio Federal de Cambio Climático, Medio Ambiente, Enerxía, Mobilidade, Innovación e Tecnoloxía e o Ministerio Federal de Tecnoloxía Dixital e Economía. . Os autores agradecen ao centro de competencias de polímeros participantes Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Facultade de Enxeñaría e Ciencias de Polímeros, Departamento de Química de Materiais de Polímero, Departamento de Ciencias de Materiais e Proba de Polímeros), Universidade de Tampere (Facultade de Materiais de Enxeñaría). ) Ciencia), a tecnoloxía máxima e a faurecia contribuíron a este traballo de investigación. Comet-Modul está financiado polo goberno de Austria e o goberno do estado de Styria.
As follas pre-reforzadas para as estruturas portadoras de carga conteñen fibras continuas-non só a partir de vidro, senón tamén de carbono e aramid.
Hai moitas formas de facer pezas compostas. Polo tanto, a elección do método para unha parte determinada dependerá do material, do deseño da parte e do uso final ou da aplicación. Aquí tes unha guía de selección.
Shocker Composites e R&M International están a desenvolver unha cadea de subministración de fibra de carbono reciclada que proporciona un sacrificio cero, un menor custo que a fibra virxe e finalmente ofrecerá lonxitudes que se achegan á fibra continua nas propiedades estruturais.
Tempo de publicación: marzo 15-2023