Tangki platform datar standar untuk BEV dan FCEV menggunakan komposit termoplastik dan termoset dengan konstruksi kerangka yang menyediakan penyimpanan H2 25% lebih banyak. #hydrogen #trends
Setelah kolaborasi dengan BMW menunjukkan bahwa tangki kubik dapat memberikan efisiensi volumetrik yang lebih tinggi daripada beberapa silinder kecil, universitas teknis Munich memulai proyek untuk mengembangkan struktur komposit dan proses pembuatan yang dapat diskalakan untuk produksi serial. Kredit Gambar: Tu Dresden (Top) Kiri), Universitas Teknis Munich, Departemen Komposit Karbon (LCC)
Kendaraan listrik sel bahan bakar (FCEV) yang ditenagai oleh hidrogen nol-emisi (H2) menyediakan cara tambahan untuk mencapai nol target lingkungan. Mobil penumpang sel bahan bakar dengan mesin H2 dapat diisi dalam 5-7 menit dan memiliki kisaran 500 km, tetapi saat ini lebih mahal karena volume produksi yang rendah. Salah satu cara untuk mengurangi biaya adalah dengan menggunakan platform standar untuk model BEV dan FCEV. Ini saat ini tidak dimungkinkan karena tangki silinder Tipe 4 yang digunakan untuk menyimpan gas H2 terkompresi (CGH2) pada 700 bar di FCEV tidak cocok untuk kompartemen baterai underbody yang telah dirancang dengan hati -hati untuk kendaraan listrik. Namun, pembuluh tekanan dalam bentuk bantal dan kubus dapat masuk ke ruang kemasan datar ini.
Paten US5577630A untuk “Kapal Tekanan Komposit Komposit”, aplikasi yang diajukan oleh Thiokol Corp pada tahun 1995 (kiri) dan kapal tekanan persegi panjang yang dipatenkan oleh BMW pada tahun 2009 (kanan).
Departemen Komposit Karbon (LCC) dari Universitas Teknis Munich (Tum, Munich, Jerman) terlibat dalam dua proyek untuk mengembangkan konsep ini. Yang pertama adalah Polymers4hydrogen (P4H), dipimpin oleh Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria). Paket kerja LCC dipimpin oleh sesama Elizabeth Glace.
Proyek kedua adalah lingkungan demonstrasi dan pengembangan hidrogen (Hydden), di mana LCC dipimpin oleh peneliti Christian Jaeger. Keduanya bertujuan untuk membuat demonstrasi skala besar dari proses pembuatan untuk membuat tangki CGH2 yang cocok menggunakan komposit serat karbon.
Ada efisiensi volumetrik yang terbatas ketika silinder berdiameter kecil dipasang dalam sel baterai datar (kiri) dan pembuluh tekanan tipe 2 kubik yang terbuat dari liner baja dan cangkang luar komposit serat karbon/epoksi (kanan). Sumber Gambar: Gambar 3 dan 6 berasal dari “Pendekatan Desain Numerik untuk Kapal Kotak Tekanan Tipe II Dengan Kaki Ketegangan Internal” oleh RUF dan Zaremba et al.
P4H telah membuat tangki kubus eksperimental yang menggunakan bingkai termoplastik dengan tali/struts tegangan komposit yang dibungkus dengan serat karbon yang diperkuat epoksi. Hydden akan menggunakan desain serupa, tetapi akan menggunakan layup serat otomatis (AFP) untuk memproduksi semua tangki komposit termoplastik.
From a patent application by Thiokol Corp. to “Composite Conformal Pressure Vessel” in 1995 to German Patent DE19749950C2 in 1997, compressed gas vessels “may have any geometric configuration”, but especially flat and irregular shapes, in a cavity connected to the shell support . Elemen digunakan sehingga mereka dapat menahan kekuatan perluasan gas.
Sebuah makalah Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) tahun 2006 menggambarkan tiga pendekatan: pembuluh tekanan konformal luka filamen, pembuluh tekanan mikrolattice yang mengandung struktur kisi ortorombik internal (sel-sel kecil 2 cm atau kurang), dikelilingi oleh wadah H2 yang berdinding tipis,, sebuah wadah H2 yang berdinding tipis,, sebuah wadah H2 tipis, sebuah wadah H2 yang berdinding tipis,, sebuah wadah H2 tipis, sebuah wadah H2 yang berdinding tipis, tipis, H2 walled tipis, tipis, H2 wontainer, sebuah wadah H2 yang berdinding tipis, tipis, H2 Walled Thin-Walled H2, tipis. dan wadah replikator, yang terdiri dari struktur internal yang terdiri dari bagian -bagian kecil yang direkatkan (misalnya, plastik heksagonal cincin) dan komposisi kulit kulit luar yang tipis. Wadah duplikat paling cocok untuk wadah yang lebih besar di mana metode tradisional mungkin sulit diterapkan.
Paten DE102009057170A yang diajukan oleh Volkswagen pada tahun 2009 menggambarkan kapal tekanan yang dipasang kendaraan yang akan memberikan efisiensi bobot tinggi sambil meningkatkan pemanfaatan ruang. Tangki persegi panjang menggunakan konektor tegangan antara dua dinding berlawanan persegi panjang, dan sudut -sudutnya bulat.
Konsep -konsep di atas dan lainnya dikutip oleh Gleiss di kertas “Pengembangan proses untuk pembuluh tekanan kubik dengan bilah peregangan” oleh Gleiss et al. di ECCM20 (26-30 Juni 2022, Lausanne, Swiss). Dalam artikel ini, ia mengutip sebuah studi TUM yang diterbitkan oleh Michael Roof dan Sven Zaremba, yang menemukan bahwa pembuluh tekanan kubik dengan struts tegangan yang menghubungkan sisi persegi panjang lebih efisien daripada beberapa silinder kecil yang sesuai dengan ruang baterai datar, menyediakan sekitar 25 % lagi. ruang penyimpanan.
Menurut Gleiss, masalah dengan memasang sejumlah besar silinder tipe 4 kecil dalam kasing datar adalah bahwa “volume antara silinder sangat berkurang dan sistem juga memiliki permukaan permeasi gas H2 yang sangat besar. Secara keseluruhan, sistem ini memberikan kapasitas penyimpanan lebih sedikit daripada stoples kubik. "
Namun, ada masalah lain dengan desain kubik tangki. "Jelas, karena gas terkompresi, Anda perlu menangkal pasukan lentur di dinding datar," kata Gleiss. “Untuk ini, Anda membutuhkan struktur yang diperkuat yang menghubungkan secara internal ke dinding tangki. Tapi itu sulit dilakukan dengan komposit. "
Glace dan timnya mencoba memasukkan batang tegangan yang memperkuat ke dalam bejana tekanan dengan cara yang cocok untuk proses belitan filamen. “Ini penting untuk produksi volume tinggi,” ia menjelaskan, “dan juga memungkinkan kita untuk merancang pola belitan dinding wadah untuk mengoptimalkan orientasi serat untuk setiap beban di zona tersebut.”
Empat langkah untuk membuat tangki komposit kubik uji coba untuk proyek P4H. Kredit Gambar: “Pengembangan Proses Produksi untuk Kapal Tekanan Kubik dengan Brace”, Universitas Teknis Munich, Proyek Polimer4 Hidrogen, ECCM20, Juni 2022.
Untuk mencapai datar, tim telah mengembangkan konsep baru yang terdiri dari empat langkah utama, seperti yang ditunjukkan di atas. Struts tegangan, ditampilkan dalam warna hitam pada langkah -langkah, adalah struktur bingkai prefabrikasi yang dibuat menggunakan metode yang diambil dari proyek Mai Skelett. Untuk proyek ini, BMW mengembangkan bingkai kaca depan "kerangka kerja" menggunakan empat batang pultrusi yang diperkuat serat, yang kemudian dicetak menjadi bingkai plastik.
Kerangka tangki kubik eksperimental. Bagian kerangka heksagonal 3D dicetak oleh tum menggunakan filamen PLA yang tidak diperkuat (atas), memasukkan batang pultrusi CF/PA6 sebagai kawat gigi tension (tengah) dan kemudian membungkus filamen di sekitar kawat gigi (bawah). Kredit Gambar: Universitas Teknis Munich LCC.
"Idenya adalah Anda dapat membangun bingkai tangki kubik sebagai struktur modular," kata Glace. "Modul -modul ini kemudian ditempatkan di alat cetakan, struts tegangan ditempatkan dalam modul bingkai, dan kemudian metode Mai Skelett digunakan di sekitar struts untuk mengintegrasikannya dengan bagian bingkai." Metode produksi massal, menghasilkan struktur yang kemudian digunakan sebagai mandrel atau inti untuk membungkus shell komposit tangki penyimpanan.
Tum merancang bingkai tangki sebagai "bantal" kubik dengan sisi padat, sudut bundar dan pola heksagonal di bagian atas dan bawah di mana ikatan dapat dimasukkan dan terpasang. Lubang untuk rak -rak ini juga dicetak 3D. "Untuk tangki eksperimental awal kami, kami mencetak bagian bingkai heksagonal menggunakan asam polilaktat [PLA, termoplastik berbasis bio] karena mudah dan murah," kata Glace.
Tim membeli 68 batang Polyamide 6 (PA6) serat karbon yang pultruded dari SGL Carbon (Meitingen, Jerman) untuk digunakan sebagai ikatan. “Untuk menguji konsepnya, kami tidak melakukan cetakan,” kata Gleiss, “tetapi hanya dimasukkan spacer ke dalam bingkai inti sarang lebah cetak 3D dan menempelkannya dengan lem epoksi. Ini kemudian menyediakan mandrel untuk melilitkan tangki. " Dia mencatat bahwa meskipun batang -batang ini relatif mudah untuk dihaluskan, ada beberapa masalah signifikan yang akan dijelaskan nanti.
“Pada tahap pertama, tujuan kami adalah untuk menunjukkan produksi desain dan mengidentifikasi masalah dalam konsep produksi,” jelas Gleiss. “Jadi struts tegangan menonjol dari permukaan luar struktur kerangka, dan kami menempelkan serat karbon ke inti ini menggunakan belitan filamen basah. Setelah itu, pada langkah ketiga, kami menekuk kepala setiap batang pengikat. Termoplastik, jadi kami hanya menggunakan panas untuk membentuk kembali kepala sehingga rata dan mengunci ke lapisan pertama pembungkus. Kami kemudian melanjutkan untuk membungkus struktur lagi sehingga kepala dorong datar tertutup di dalam tangki. laminasi di dinding.
Tutup spacer untuk belitan. Tum menggunakan tutup plastik di ujung batang tegang untuk mencegah serat kusut selama belitan filamen. Kredit Gambar: Universitas Teknis Munich LCC.
Glace menegaskan bahwa tangki pertama ini adalah bukti konsep. “Penggunaan pencetakan dan lem 3D hanya untuk pengujian awal dan memberi kami gambaran tentang beberapa masalah yang kami temui. Misalnya, selama belitan, filamen ditangkap oleh ujung batang tegangan, menyebabkan kerusakan serat, kerusakan serat, dan mengurangi jumlah serat untuk mengatasinya. Kami menggunakan beberapa topi plastik sebagai alat bantu pembuatan yang ditempatkan di tiang sebelum langkah belitan pertama. Kemudian, ketika laminasi internal dibuat, kami melepas tutup pelindung ini dan membentuk kembali ujung kutub sebelum pembungkus akhir. "
Tim bereksperimen dengan berbagai skenario rekonstruksi. “Mereka yang melihat sekeliling bekerja paling baik,” kata Grace. “Juga, selama fase prototyping, kami menggunakan alat pengelasan yang dimodifikasi untuk menerapkan panas dan membentuk kembali ujung batang pengikat. Dalam konsep produksi massal, Anda akan memiliki satu alat yang lebih besar yang dapat membentuk dan membentuk semua ujung struts menjadi laminasi akhir interior pada saat yang sama. . "
Drawbar Heads dibentuk kembali. Tum bereksperimen dengan konsep yang berbeda dan memodifikasi lasan untuk menyelaraskan ujung ikatan komposit untuk melekat pada laminasi dinding tangki. Kredit Gambar: “Pengembangan Proses Produksi untuk Kapal Tekanan Kubik dengan Brace”, Universitas Teknis Munich, Proyek Polimer4 Hidrogen, ECCM20, Juni 2022.
Dengan demikian, laminasi disembuhkan setelah langkah belitan pertama, tiang -tiang dibentuk kembali, tum melengkapi belitan kedua filamen, dan kemudian laminasi dinding tangki luar disembuhkan untuk kedua kalinya. Harap dicatat bahwa ini adalah desain tangki tipe 5, yang berarti tidak memiliki liner plastik sebagai penghalang gas. Lihat diskusi di bagian langkah selanjutnya di bawah ini.
"Kami memotong demo pertama menjadi penampang dan memetakan area yang terhubung," kata Glace. "Sebuah close-up menunjukkan bahwa kami memiliki beberapa masalah kualitas dengan laminasi, dengan kepala penyangga tidak meletakkan datar di laminasi interior."
Memecahkan masalah dengan celah antara laminasi dinding dalam dan luar tangki. Kepala batang pengikat yang dimodifikasi menciptakan celah antara belokan pertama dan kedua dari tangki eksperimental. Kredit Gambar: Universitas Teknis Munich LCC.
Tangki awal 450 x 290 x 80mm ini selesai musim panas lalu. "Kami telah membuat banyak kemajuan sejak itu, tetapi kami masih memiliki celah antara laminasi interior dan eksterior," kata Glace. “Jadi kami mencoba mengisi celah -celah itu dengan resin viskositas yang bersih dan tinggi. Ini sebenarnya meningkatkan hubungan antara stud dan laminasi, yang sangat meningkatkan stres mekanik. ”
Tim terus mengembangkan desain dan proses tangki, termasuk solusi untuk pola belitan yang diinginkan. "Sisi tangki uji tidak sepenuhnya melengkung karena sulit bagi geometri ini untuk membuat jalur berliku," Glace menjelaskan. “Sudut belitan awal kami adalah 75 °, tetapi kami tahu bahwa beberapa sirkuit diperlukan untuk memenuhi beban di kapal tekanan ini. Kami masih mencari solusi untuk masalah ini, tetapi tidak mudah dengan perangkat lunak saat ini di pasaran. Ini mungkin menjadi proyek tindak lanjut.
“Kami telah menunjukkan kelayakan konsep produksi ini,” kata Gleiss, “tetapi kami perlu bekerja lebih jauh untuk meningkatkan hubungan antara laminasi dan membentuk kembali batang pengikat. “Pengujian eksternal pada mesin pengujian. Anda menarik spacer keluar dari laminasi dan menguji beban mekanis yang dapat ditahan oleh sambungan tersebut. ”
Bagian dari proyek Polymers4hydrogen ini akan selesai pada akhir 2023, pada saat itu Gleis berharap untuk menyelesaikan tangki demonstrasi kedua. Menariknya, desain saat ini menggunakan termoplastik bertulang yang rapi dalam rangka dan komposit termoset di dinding tangki. Apakah pendekatan hibrida ini akan digunakan dalam tangki demonstrasi akhir? "Ya," kata Grace. "Mitra kami dalam proyek Polymers4hydrogen mengembangkan resin epoksi dan bahan matriks komposit lainnya dengan sifat penghalang hidrogen yang lebih baik." Dia mendaftar dua mitra yang mengerjakan pekerjaan ini, PCCL dan University of Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss dan timnya juga bertukar informasi dan membahas ide -ide dengan Jaeger pada proyek Hydden kedua dari tangki komposit konformal LCC.
"Kami akan memproduksi kapal tekanan komposit konformal untuk drone penelitian," kata Jaeger. “Ini adalah kolaborasi antara dua departemen Aerospace dan Departemen Geodetik TUM - LCC dan Departemen Teknologi Helikopter (HT). Proyek ini akan selesai pada akhir 2024 dan kami sedang menyelesaikan kapal penekan. Desain yang lebih merupakan pendekatan kedirgantaraan dan otomotif. Setelah tahap konsep awal ini, langkah selanjutnya adalah melakukan pemodelan struktural yang terperinci dan memprediksi kinerja penghalang struktur dinding. "
"Seluruh idenya adalah untuk mengembangkan drone eksplorasi dengan sel bahan bakar hybrid dan sistem propulsi baterai," lanjutnya. Ini akan menggunakan baterai selama beban daya tinggi (yaitu lepas landas dan pendaratan) dan kemudian beralih ke sel bahan bakar selama jelajah beban ringan. "Tim HT sudah memiliki drone penelitian dan mendesain ulang powertrain untuk menggunakan baterai dan sel bahan bakar," kata Yeager. "Mereka juga membeli tangki CGH2 untuk menguji transmisi ini."
“Tim saya ditugaskan untuk membangun prototipe tangki tekan yang cocok, tetapi bukan karena masalah pengemasan yang akan dibuat oleh tangki silindris,” jelasnya. “Tangki yang lebih datar tidak menawarkan resistensi angin sebanyak. Jadi Anda mendapatkan kinerja penerbangan yang lebih baik. " Dimensi tangki kira -kira. 830 x 350 x 173 mm.
Tangki patuh AFP yang sepenuhnya termoplastik. Untuk proyek Hydden, tim LCC di Tum awalnya mengeksplorasi pendekatan yang sama dengan yang digunakan oleh Glace (di atas), tetapi kemudian pindah ke pendekatan menggunakan kombinasi beberapa modul struktural, yang kemudian digunakan secara berlebihan menggunakan AFP (di bawah). Kredit Gambar: Universitas Teknis Munich LCC.
“Satu ide mirip dengan pendekatan Elisabeth [Gleiss],” kata Yager, “untuk menerapkan kawat gigi tegang ke dinding kapal untuk mengimbangi pasukan lentur tinggi. Namun, alih -alih menggunakan proses belitan untuk membuat tangki, kami menggunakan AFP. Oleh karena itu, kami berpikir untuk membuat bagian terpisah dari kapal tekan, di mana rak sudah terintegrasi. Pendekatan ini memungkinkan saya untuk menggabungkan beberapa modul terintegrasi ini dan kemudian menerapkan tutup ujung untuk menyegel semuanya sebelum belitan AFP akhir. ”
“Kami mencoba untuk menyelesaikan konsep seperti itu,” lanjutnya, “dan juga mulai menguji pemilihan bahan, yang sangat penting untuk memastikan resistensi yang diperlukan terhadap penetrasi gas H2. Untuk ini, kami terutama menggunakan bahan termoplastik dan bekerja pada berbagai bagaimana bahan akan mempengaruhi perilaku permeasi ini dan pemrosesan di mesin AFP. Penting untuk dipahami jika pengobatan akan memiliki efek dan jika diperlukan pasca-pemrosesan. Kami juga ingin tahu apakah tumpukan yang berbeda akan mempengaruhi permeasi hidrogen melalui bejana tekanan. ”
Tangki akan sepenuhnya terbuat dari termoplastik dan strip akan dipasok oleh Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jerman). “Kami akan menggunakan PPS [polifenilen sulfida], mengintip [polyether keton] dan LM paek [low lebur polyaryl keton] bahan,” kata Yager. "Perbandingan kemudian dibuat untuk melihat mana yang terbaik untuk perlindungan penetrasi dan menghasilkan bagian dengan kinerja yang lebih baik." Dia berharap untuk menyelesaikan pengujian, pemodelan struktural dan proses dan demonstrasi pertama dalam tahun depan.
Pekerjaan penelitian dilakukan dalam modul komet "Polymers4hydrogen" (ID 21647053) dalam program komet Kementerian Federal untuk Perubahan Iklim, Lingkungan, Energi, Mobilitas, Inovasi dan Teknologi dan Kementerian Federal untuk Teknologi Digital dan Ekonomi. . Para penulis berterima kasih kepada Pusat Kompetensi Polimer Mitra yang berpartisipasi Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Fakultas Teknik dan Sains Polimer, Departemen Kimia Bahan Polimer, Departemen Ilmu Bahan dan Pengujian Polimer), Universitas Tampere (Faculty of Engineering Bahan). ) Sains), Teknologi Puncak dan Faurecia berkontribusi pada pekerjaan penelitian ini. Comet-Modul didanai oleh Pemerintah Austria dan Pemerintah Negara Bagian Styria.
Lembar yang diperkuat pra-diperkuat untuk struktur penahan beban mengandung serat kontinu-tidak hanya dari kaca, tetapi juga dari karbon dan aramid.
Ada banyak cara untuk membuat bagian komposit. Oleh karena itu, pilihan metode untuk bagian tertentu akan tergantung pada materi, desain bagian, dan penggunaan akhir atau aplikasi. Ini adalah panduan seleksi.
Komposit Shocker dan R&M International sedang mengembangkan rantai pasokan serat karbon daur ulang yang memberikan penyembelihan nol, biaya lebih rendah dari serat perawan dan pada akhirnya akan menawarkan panjang yang mendekati serat kontinu dalam sifat struktural.
Waktu pos: Mar-15-2023