Tangki platform datar standar untuk BEV dan FCEV menggunakan komposit termoplastik dan termoset dengan konstruksi rangka yang menyediakan penyimpanan H2 25% lebih banyak. #hidrogen #tren
Setelah kolaborasi dengan BMW menunjukkan bahwa tangki kubik dapat menghasilkan efisiensi volumetrik yang lebih tinggi daripada beberapa silinder kecil, Universitas Teknik München memulai proyek pengembangan struktur komposit dan proses manufaktur yang skalabel untuk produksi serial. Kredit gambar: TU Dresden (kiri atas), Universitas Teknik München, Departemen Komposit Karbon (LCC)
Kendaraan listrik sel bahan bakar (FCEV) bertenaga hidrogen tanpa emisi (H2) menyediakan cara tambahan untuk mencapai target lingkungan nol. Mobil penumpang sel bahan bakar dengan mesin H2 dapat diisi ulang dalam 5-7 menit dan memiliki jangkauan 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. Hal ini saat ini tidak memungkinkan karena tangki silinder Tipe 4 yang digunakan untuk menyimpan gas H2 terkompresi (CGH2) pada tekanan 700 bar di FCEV tidak cocok untuk kompartemen baterai di bawah bodi yang telah dirancang khusus untuk kendaraan listrik. Namun, bejana tekan berbentuk bantal dan kubus dapat ditempatkan di ruang kemasan datar ini.
Paten US5577630A untuk “Composite Conformal Pressure Vessel”, aplikasi diajukan oleh Thiokol Corp. pada tahun 1995 (kiri) dan bejana tekan persegi panjang yang dipatenkan oleh BMW pada tahun 2009 (kanan).
Departemen Komposit Karbon (LCC) Universitas Teknik München (TUM, München, Jerman) terlibat dalam dua proyek untuk mengembangkan konsep ini. Proyek pertama adalah Polymers4Hydrogen (P4H), yang dipimpin oleh Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria). Paket kerja LCC ini dipimpin oleh Fellow Elizabeth Glace.
Proyek kedua adalah Lingkungan Demonstrasi dan Pengembangan Hidrogen (HyDDen), yang dipimpin oleh Peneliti Christian Jaeger. Keduanya bertujuan untuk menciptakan demonstrasi skala besar proses manufaktur tangki CGH2 yang sesuai menggunakan komposit serat karbon.
Efisiensi volumetrik terbatas ketika silinder berdiameter kecil dipasang di sel baterai datar (kiri) dan bejana tekan tipe 2 kubik yang terbuat dari pelapis baja dan cangkang luar komposit serat karbon/epoksi (kanan). Sumber Gambar: Gambar 3 dan 6 diambil dari "Pendekatan Desain Numerik untuk Bejana Kotak Tekan Tipe II dengan Kaki Tegangan Internal" oleh Ruf dan Zaremba dkk.
P4H telah membuat tangki kubus eksperimental yang menggunakan rangka termoplastik dengan tali/penyangga tegangan komposit yang dibungkus dengan epoksi yang diperkuat serat karbon. HyDDen akan menggunakan desain serupa, tetapi akan menggunakan pelapisan serat otomatis (AFP) untuk memproduksi semua tangki komposit termoplastik.
Dari pengajuan paten Thiokol Corp. untuk "Composite Conformal Pressure Vessel" pada tahun 1995 hingga Paten Jerman DE19749950C2 pada tahun 1997, bejana gas terkompresi "dapat memiliki konfigurasi geometris apa pun", terutama bentuk datar dan tidak beraturan, dalam rongga yang terhubung ke penyangga cangkang. Elemen-elemen tersebut digunakan agar dapat menahan gaya ekspansi gas.
Sebuah makalah tahun 2006 dari Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) menjelaskan tiga pendekatan: bejana tekan konformal lilitan filamen, bejana tekan mikrolattice yang berisi struktur kisi ortorombik internal (sel kecil berukuran 2 cm atau kurang), dikelilingi oleh wadah H2 berdinding tipis, dan wadah replikator, yang terdiri dari struktur internal berupa bagian-bagian kecil yang direkatkan (misalnya, cincin plastik heksagonal) dan komposisi kulit luar 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 menjelaskan sebuah bejana tekan yang terpasang pada kendaraan yang akan memberikan efisiensi bobot tinggi sekaligus meningkatkan pemanfaatan ruang. Tangki persegi panjang menggunakan konektor tegangan di antara dua dinding persegi panjang yang berseberangan, dan sudut-sudutnya membulat.
Konsep-konsep di atas dan konsep-konsep lainnya dikutip oleh Gleiss dalam makalah "Pengembangan Proses untuk Bejana Tekan Kubik dengan Batang Peregang" oleh Gleiss dkk. 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 bejana tekan kubik dengan struts tegangan yang menghubungkan sisi-sisi persegi panjang lebih efisien daripada beberapa silinder kecil yang muat di dalam ruang baterai datar, sehingga menyediakan ruang penyimpanan sekitar 25% lebih banyak.
Menurut Gleiss, masalah dengan memasang sejumlah besar tabung kecil tipe 4 dalam wadah datar adalah "volume antar tabung sangat berkurang dan sistem juga memiliki permukaan permeasi gas H2 yang sangat besar. Secara keseluruhan, sistem ini menyediakan kapasitas penyimpanan yang lebih kecil dibandingkan tabung kubik."
Namun, ada masalah lain dengan desain kubik tangki. "Tentu saja, karena gas terkompresi, Anda perlu mengimbangi gaya lentur pada dinding datar," kata Gleiss. "Untuk ini, Anda memerlukan struktur bertulang yang terhubung secara internal ke dinding tangki. Namun, hal itu sulit dilakukan dengan komposit."
Glace dan timnya mencoba memasukkan batang tegangan penguat ke dalam bejana tekan dengan cara yang sesuai untuk proses penggulungan filamen. "Hal ini penting untuk produksi volume tinggi," jelasnya, "dan juga memungkinkan kami merancang pola penggulungan dinding wadah untuk mengoptimalkan orientasi serat untuk setiap muatan di zona tersebut."
Empat langkah pembuatan tangki komposit kubik percobaan untuk proyek P4H. Kredit gambar: “Pengembangan proses produksi untuk bejana tekan kubik dengan brace”, Universitas Teknik München, proyek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Untuk mencapai on-chain, tim telah mengembangkan konsep baru yang terdiri dari empat langkah utama, seperti yang ditunjukkan di atas. Struts tegangan, yang ditunjukkan dengan warna hitam pada langkah-langkahnya, merupakan struktur rangka prefabrikasi yang dibuat menggunakan metode yang diambil dari proyek MAI Skelett. Untuk proyek ini, BMW mengembangkan "kerangka" rangka kaca depan menggunakan empat batang pultrusi yang diperkuat serat, yang kemudian dicetak menjadi rangka plastik.
Rangka tangki kubik eksperimental. Potongan rangka heksagonal dicetak 3D oleh TUM menggunakan filamen PLA tanpa penguat (atas), memasukkan batang pultrusi CF/PA6 sebagai penahan tegangan (tengah), lalu melilitkan filamen di sekeliling penahan (bawah). Kredit gambar: Technical University of Munich LCC.
"Idenya adalah Anda dapat membangun rangka tangki kubik sebagai struktur modular," kata Glace. "Modul-modul ini kemudian ditempatkan di dalam alat cetak, penopang tegangan ditempatkan di dalam modul rangka, dan kemudian metode MAI Skelett digunakan di sekitar penopang untuk mengintegrasikannya dengan bagian-bagian rangka." Metode produksi massal ini menghasilkan struktur yang kemudian digunakan sebagai mandrel atau inti untuk membungkus rangka komposit tangki penyimpanan.
TUM merancang rangka tangki sebagai "bantalan" kubik dengan sisi-sisi kokoh, sudut-sudut membulat, dan pola heksagonal di bagian atas dan bawah, tempat pengikat dapat dimasukkan dan dipasang. Lubang-lubang untuk rak ini juga dicetak 3D. "Untuk tangki percobaan awal kami, kami mencetak 3D bagian-bagian rangka heksagonal menggunakan asam polilaktat [PLA, termoplastik berbasis bio] karena mudah dan murah," ujar Glace.
Tim membeli 68 batang poliamida 6 (PA6) yang diperkuat serat karbon pultrusi dari SGL Carbon (Meitingen, Jerman) untuk digunakan sebagai pengikat. "Untuk menguji konsep ini, kami tidak melakukan pencetakan apa pun," kata Gleiss, "tetapi hanya memasukkan spacer ke dalam rangka inti sarang lebah cetak 3D dan merekatkannya dengan lem epoksi. Ini kemudian menjadi mandrel untuk melilitkan tangki." Ia mencatat bahwa meskipun batang-batang ini relatif mudah dililitkan, ada beberapa masalah signifikan yang akan dijelaskan nanti.
"Pada tahap pertama, tujuan kami adalah mendemonstrasikan kemampuan manufaktur desain dan mengidentifikasi masalah dalam konsep produksi," jelas Gleiss. "Jadi, penopang tegangan menonjol dari permukaan luar struktur rangka, dan kami menempelkan serat karbon ke inti ini menggunakan lilitan filamen basah. Setelah itu, pada langkah ketiga, kami membengkokkan kepala setiap batang pengikat. Batang pengikat termoplastik, jadi kami hanya menggunakan panas untuk membentuk ulang kepala agar rata dan terkunci pada lapisan pembungkus pertama. Kemudian, kami membungkus struktur lagi sehingga kepala dorong datar tertutup secara geometris di dalam tangki. Laminasi pada dinding."
Tutup spacer untuk penggulungan. TUM menggunakan tutup plastik pada ujung batang penegang untuk mencegah serat kusut selama penggulungan filamen. Kredit gambar: Technical University of Munich LCC.
Glace menegaskan kembali bahwa tangki pertama ini merupakan bukti konsep. “Penggunaan pencetakan 3D dan lem hanya untuk pengujian awal dan memberi kami gambaran tentang beberapa masalah yang kami temui. Misalnya, selama penggulungan, filamen tersangkut di ujung batang tegangan, menyebabkan serat putus, kerusakan serat, dan mengurangi jumlah serat untuk mengatasinya. Kami menggunakan beberapa tutup plastik sebagai alat bantu produksi yang dipasang pada tiang sebelum langkah penggulungan pertama. Kemudian, ketika laminasi internal dibuat, kami melepas tutup pelindung ini dan membentuk ulang ujung tiang sebelum pembungkusan akhir.”
Tim bereksperimen dengan berbagai skenario rekonstruksi. "Yang melihat-lihat adalah yang paling berhasil," kata Grace. "Selain itu, selama fase pembuatan prototipe, kami menggunakan alat las yang dimodifikasi untuk memanaskan dan membentuk ulang ujung-ujung tie rod. Dalam konsep produksi massal, Anda akan memiliki satu alat yang lebih besar yang dapat membentuk dan membentuk semua ujung struts menjadi laminasi interior secara bersamaan."
Kepala drawbar dibentuk ulang. TUM bereksperimen dengan berbagai konsep dan memodifikasi las untuk menyelaraskan ujung-ujung ikatan komposit agar dapat dipasang pada laminasi dinding tangki. Kredit gambar: “Pengembangan proses produksi untuk bejana tekan kubik dengan brace”, Universitas Teknik München, proyek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Dengan demikian, laminasi dikeringkan setelah langkah penggulungan pertama, tiang dibentuk ulang, TUM menyelesaikan penggulungan filamen kedua, dan kemudian laminasi dinding tangki luar dikeringkan untuk kedua kalinya. Harap dicatat bahwa ini adalah desain tangki tipe 5, yang berarti tidak memiliki lapisan plastik sebagai penghalang gas. Lihat pembahasan di bagian Langkah Berikutnya di bawah ini.
"Kami memotong demo pertama menjadi beberapa bagian dan memetakan area yang terhubung," kata Glace. "Pemeriksaan jarak dekat menunjukkan bahwa kami memiliki beberapa masalah kualitas pada laminasi, dengan kepala penyangga yang tidak rata pada laminasi interior."
Memecahkan masalah celah antara laminasi dinding dalam dan luar tangki. Kepala tie rod yang dimodifikasi menciptakan celah antara lilitan pertama dan kedua tangki eksperimen. Kredit gambar: Technical University of Munich LCC.
Tangki awal berukuran 450 x 290 x 80 mm ini selesai dibangun musim panas lalu. "Kami telah membuat banyak kemajuan sejak saat itu, tetapi masih ada celah antara laminasi interior dan eksterior," kata Glace. "Jadi kami mencoba mengisi celah tersebut dengan resin yang bersih dan berviskositas tinggi. Ini justru meningkatkan sambungan antara tiang dan laminasi, yang sangat meningkatkan tekanan mekanis."
Tim terus mengembangkan desain dan proses tangki, termasuk solusi untuk pola lilitan yang diinginkan. "Sisi-sisi tangki uji tidak sepenuhnya melengkung karena geometri ini sulit untuk menciptakan jalur lilitan," jelas Glace. "Sudut lilitan awal kami adalah 75°, tetapi kami tahu bahwa beberapa sirkuit diperlukan untuk memenuhi beban dalam bejana tekan ini. Kami masih mencari solusi untuk masalah ini, tetapi tidak mudah dengan perangkat lunak yang saat ini tersedia di pasaran. Ini mungkin akan menjadi proyek lanjutan."
"Kami telah menunjukkan kelayakan konsep produksi ini," kata Gleiss, "tetapi kami perlu bekerja lebih lanjut untuk meningkatkan sambungan antar laminasi dan membentuk ulang tie rod. Pengujian eksternal pada mesin uji. 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 tahun 2023, dan Gleis berharap dapat menyelesaikan tangki demonstrasi kedua pada saat itu. Menariknya, desain saat ini menggunakan termoplastik bertulang rapi pada rangka dan komposit termoset pada dinding tangki. Akankah pendekatan hibrida ini digunakan pada tangki demonstrasi terakhir? "Ya," kata Grace. "Mitra kami dalam proyek Polymers4Hydrogen sedang mengembangkan resin epoksi dan material matriks komposit lainnya dengan sifat penghalang hidrogen yang lebih baik." Ia menyebutkan dua mitra yang terlibat dalam proyek ini, PCCL dan Universitas Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss dan timnya juga bertukar informasi dan mendiskusikan ide dengan Jaeger tentang proyek HyDDen kedua dari tangki komposit konformal LCC.
"Kami akan memproduksi bejana tekan komposit konformal untuk drone penelitian," ujar Jaeger. "Ini merupakan kolaborasi antara dua departemen, yaitu Departemen Dirgantara dan Geodesi TUM – LCC dan Departemen Teknologi Helikopter (HT). Proyek ini akan selesai pada akhir tahun 2024 dan saat ini kami sedang menyelesaikan bejana tekan tersebut. Desainnya lebih merupakan pendekatan kedirgantaraan dan otomotif. Setelah tahap konsep awal ini, langkah selanjutnya adalah melakukan pemodelan struktural yang detail dan memprediksi kinerja penghalang struktur dinding."
"Ide utamanya adalah mengembangkan drone eksplorasi dengan sistem propulsi hibrida sel bahan bakar dan baterai," lanjutnya. Drone ini akan menggunakan baterai saat beban daya tinggi (yaitu lepas landas dan mendarat) dan kemudian beralih ke sel bahan bakar saat jelajah beban ringan. "Tim HT sudah memiliki drone penelitian dan mendesain ulang sistem penggeraknya agar dapat menggunakan baterai dan sel bahan bakar," kata Yeager. "Mereka juga membeli tangki CGH2 untuk menguji transmisi ini."
"Tim saya ditugaskan untuk membangun prototipe tangki bertekanan yang pas, tetapi bukan karena masalah pengemasan yang akan ditimbulkan oleh tangki silinder," jelasnya. "Tangki yang lebih datar tidak memberikan hambatan angin yang besar. Jadi, performa terbangnya lebih baik." Dimensi tangki sekitar 830 x 350 x 173 mm.
Tangki yang sepenuhnya termoplastik dan sesuai dengan standar AFP. Untuk proyek HyDDen, tim LCC di TUM awalnya mengeksplorasi pendekatan serupa dengan yang digunakan oleh Glace (di atas), tetapi kemudian beralih ke pendekatan yang menggunakan kombinasi beberapa modul struktural, yang kemudian digunakan secara berlebihan dengan menggunakan AFP (di bawah). Kredit gambar: LCC Universitas Teknik München.
"Salah satu idenya mirip dengan pendekatan Elisabeth [Gleiss]," ujar Yager, "untuk memasang penahan tegangan pada dinding bejana guna mengimbangi gaya tekuk yang tinggi. Namun, alih-alih menggunakan proses penggulungan untuk membuat tangki, kami menggunakan AFP. Oleh karena itu, kami berpikir untuk membuat bagian terpisah dari bejana tekan, yang rak-raknya sudah terintegrasi. Pendekatan ini memungkinkan saya untuk menggabungkan beberapa modul terintegrasi ini dan kemudian memasang tutup ujung untuk menyegel semuanya sebelum penggulungan AFP terakhir."
"Kami sedang mencoba menyelesaikan konsep tersebut," lanjutnya, "dan juga mulai menguji pemilihan material, yang sangat penting untuk memastikan ketahanan yang diperlukan terhadap penetrasi gas H2. Untuk ini, kami terutama menggunakan material termoplastik dan sedang mempelajari berbagai cara material tersebut akan memengaruhi perilaku permeasi dan pemrosesan di mesin AFP. Penting untuk memahami apakah perlakuan ini akan berpengaruh dan apakah diperlukan pasca-pemrosesan. Kami juga ingin mengetahui apakah tumpukan yang berbeda akan memengaruhi permeasi hidrogen melalui bejana tekan."
Tangki akan sepenuhnya terbuat dari termoplastik dan stripnya akan dipasok oleh Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jerman). "Kami akan menggunakan material PPS [polifenilena sulfida], PEEK [polieter keton], dan LM PAEK [poliaril keton dengan titik leleh rendah]," ujar Yager. "Perbandingan kemudian dilakukan untuk melihat mana yang terbaik untuk perlindungan penetrasi dan menghasilkan komponen dengan kinerja yang lebih baik." Ia berharap dapat menyelesaikan pengujian, pemodelan struktural dan proses, serta demonstrasi pertama dalam tahun depan.
Pekerjaan penelitian ini dilakukan dalam modul COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) dalam program COMET dari Kementerian Federal untuk Perubahan Iklim, Lingkungan Hidup, Energi, Mobilitas, Inovasi dan Teknologi dan Kementerian Federal untuk Teknologi Digital dan Ekonomi. . Para penulis mengucapkan terima kasih kepada mitra yang berpartisipasi Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Fakultas Teknik dan Sains Polimer, Departemen Kimia Material Polimer, Departemen Ilmu Material dan Pengujian Polimer), Universitas Tampere (Fakultas Teknik Material). ) Sains), Peak Technology dan Faurecia berkontribusi pada pekerjaan penelitian ini. COMET-Modul didanai oleh pemerintah Austria dan pemerintah negara bagian Styria.
Lembaran pra-diperkuat untuk struktur penahan beban mengandung serat kontinu – tidak hanya dari kaca, tetapi juga dari karbon dan aramid.
Ada banyak cara untuk membuat komponen komposit. Oleh karena itu, pemilihan metode untuk setiap komponen akan bergantung pada material, desain komponen, dan penggunaan akhir atau aplikasinya. Berikut panduan pemilihannya.
Shocker Composites dan R&M International sedang mengembangkan rantai pasokan serat karbon daur ulang yang menyediakan pemotongan nol, biaya lebih rendah daripada serat murni dan pada akhirnya akan menawarkan panjang yang mendekati serat kontinu dalam sifat struktural.
Waktu posting: 15-Mar-2023