Tangki platform datar standar untuk BEV dan FCEV menggunakan komposit termoplastik dan termoset dengan konstruksi kerangka yang menyediakan penyimpanan H2 25% lebih banyak. #hidrogen #tren
Setelah kolaborasi dengan BMW menunjukkan bahwa tangki kubik dapat menghasilkan efisiensi volumetrik yang lebih tinggi dibandingkan beberapa silinder kecil, Universitas Teknik Munich memulai proyek untuk mengembangkan struktur komposit dan proses manufaktur terukur untuk produksi serial. Kredit gambar: TU Dresden (atas) kiri), Universitas Teknik Munich, Departemen Komposit Karbon (LCC)
Kendaraan listrik sel bahan bakar (FCEV) yang ditenagai oleh hidrogen tanpa emisi (H2) memberikan sarana tambahan untuk mencapai target lingkungan nol. Mobil penumpang sel bahan bakar bermesin H2 dapat diisi dalam 5-7 menit dan memiliki jangkauan 500 km, namun saat ini harganya lebih mahal karena volume produksinya rendah. Salah satu cara untuk mengurangi biaya adalah dengan menggunakan platform standar untuk model BEV dan FCEV. Hal ini saat ini tidak mungkin dilakukan karena tangki silinder Tipe 4 yang digunakan untuk menyimpan gas H2 terkompresi (CGH2) pada tekanan 700 bar di FCEV tidak cocok untuk kompartemen baterai bagian bawah bodi mobil yang telah dirancang dengan cermat untuk kendaraan listrik. Namun, bejana tekan berbentuk bantal dan kubus dapat masuk ke dalam ruang pengemasan datar ini.
Paten US5577630A untuk “Composite Conformal Pressure Vessel”, permohonan 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) dari Universitas Teknik 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 pekerjaan LCC dipimpin oleh Fellow Elizabeth Glace.
Proyek kedua adalah Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), dimana LCC dipimpin oleh Peneliti Christian Jaeger. Keduanya bertujuan untuk menciptakan demonstrasi skala besar tentang proses pembuatan tangki CGH2 yang sesuai menggunakan komposit serat karbon.
Terdapat efisiensi volumetrik yang terbatas ketika silinder berdiameter kecil dipasang di sel baterai datar (kiri) dan bejana tekan tipe 2 kubik yang terbuat dari lapisan baja dan cangkang luar komposit serat karbon/epoksi (kanan). Sumber Gambar: Gambar 3 dan 6 berasal dari “Pendekatan Desain Numerik untuk Bejana Kotak Tekanan Tipe II dengan Kaki Ketegangan Internal” oleh Ruf dan Zaremba dkk.
P4H telah membuat tangki kubus eksperimental yang menggunakan rangka termoplastik dengan tali pengikat/penopang komposit yang dibungkus dengan epoksi yang diperkuat serat karbon. HyDden akan menggunakan desain serupa, tetapi akan menggunakan automatic fiber layup (AFP) untuk memproduksi semua tangki komposit termoplastik.
Dari permohonan paten oleh Thiokol Corp. hingga “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 digunakan agar dapat menahan gaya pemuaian gas.
Makalah Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) tahun 2006 menjelaskan tiga pendekatan: bejana tekan konformal luka filamen, bejana bertekanan mikrokisi yang berisi struktur kisi ortorombik internal (sel kecil berukuran 2 cm atau kurang), dikelilingi oleh wadah H2 berdinding tipis, dan wadah replikator, terdiri dari struktur internal yang terdiri dari bagian-bagian kecil yang direkatkan (misalnya cincin plastik heksagonal) dan komposisi kulit cangkang luar yang tipis. Kontainer duplikat paling cocok untuk kontainer yang lebih besar dimana metode tradisional mungkin sulit diterapkan.
Paten DE102009057170A yang diajukan oleh Volkswagen pada tahun 2009 menggambarkan bejana bertekanan yang dipasang di kendaraan yang akan memberikan efisiensi bobot tinggi sekaligus meningkatkan pemanfaatan ruang. Tangki persegi panjang menggunakan konektor tegangan antara dua dinding persegi panjang yang berseberangan, dan sudutnya membulat.
Konsep di atas dan konsep lainnya dikutip oleh Gleiss dalam makalah “Pengembangan Proses untuk Bejana Tekanan Kubik dengan Batang Regangan” oleh Gleiss dkk. di ECCM20 (26-30 Juni 2022, Lausanne, Swiss). Dalam artikel ini, dia mengutip studi TUM yang diterbitkan oleh Michael Roof dan Sven Zaremba, yang menemukan bahwa bejana bertekanan kubik dengan penyangga tegangan yang menghubungkan sisi persegi panjang lebih efisien daripada beberapa silinder kecil yang masuk ke dalam ruang baterai datar, menyediakan sekitar 25 % lagi. ruang penyimpanan.
Menurut Gleiss, masalah pemasangan silinder kecil tipe 4 dalam jumlah besar dalam wadah datar adalah “volume antar silinder sangat berkurang dan sistem juga memiliki permukaan perembesan gas H2 yang sangat besar. Secara keseluruhan, sistem ini menyediakan kapasitas penyimpanan yang lebih kecil dibandingkan stoples kubik.”
Namun, ada masalah lain dengan desain kubik tangki. “Tentu saja, karena adanya gas terkompresi, Anda perlu melawan gaya tekuk pada dinding datar,” kata Gleiss. “Untuk ini, Anda memerlukan struktur bertulang yang menghubungkan bagian dalam ke dinding tangki. Tapi itu sulit dilakukan dengan komposit.”
Glace dan timnya mencoba memasukkan batang penguat tegangan ke dalam bejana tekan dengan cara yang sesuai untuk proses penggulungan filamen. “Hal ini penting untuk produksi bervolume tinggi,” jelasnya, “dan juga memungkinkan kami merancang pola lilitan dinding kontainer guna mengoptimalkan orientasi serat untuk setiap muatan di zona tersebut.”
Empat langkah membuat uji coba tangki komposit kubik untuk proyek P4H. Kredit gambar: “Pengembangan proses produksi bejana tekan kubik dengan penahan”, Universitas Teknik Munich, 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. Penopang tegangan, yang ditunjukkan dalam warna hitam pada anak tangga, adalah 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 pultrusion yang diperkuat serat, yang kemudian dicetak menjadi bingkai plastik.
Kerangka tangki kubik eksperimental. Bagian kerangka heksagonal 3D dicetak oleh TUM menggunakan filamen PLA tanpa penguat (atas), memasukkan batang pultrusion CF/PA6 sebagai penahan tegangan (tengah) dan kemudian melilitkan filamen di sekitar penahan (bawah). Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
“Idenya adalah Anda dapat membangun kerangka tangki kubik sebagai struktur modular,” kata Glace. “Modul-modul ini kemudian ditempatkan di alat cetakan, penyangga tegangan ditempatkan di modul rangka, dan kemudian metode MAI Skelett digunakan di sekitar penyangga untuk mengintegrasikannya dengan bagian rangka.” metode produksi massal, menghasilkan struktur yang kemudian digunakan sebagai mandrel atau inti untuk membungkus cangkang komposit tangki penyimpanan.
TUM merancang rangka tangki sebagai “bantalan” kubik dengan sisi kokoh, sudut membulat, dan pola heksagonal di bagian atas dan bawah tempat pengikat dapat dimasukkan dan dipasang. Lubang untuk rak ini juga dicetak 3D. “Untuk tangki percobaan awal kami, kami mencetak bagian bingkai heksagonal secara 3D menggunakan asam polilaktat [PLA, termoplastik berbasis bio] karena mudah dan murah,” kata Glace.
Tim membeli 68 batang poliamida 6 (PA6) yang diperkuat serat karbon pultrud dari SGL Carbon (Meitingen, Jerman) untuk digunakan sebagai pengikat. “Untuk menguji konsep ini, kami tidak melakukan pencetakan apa pun,” kata Gleiss, “tetapi cukup memasukkan spacer ke dalam bingkai inti sarang lebah yang dicetak 3D dan merekatkannya dengan lem epoksi. Ini kemudian menjadi mandrel untuk memutar tangki.” Dia mencatat bahwa meskipun batang ini relatif mudah untuk diputar, ada beberapa masalah signifikan yang akan dijelaskan nanti.
“Pada tahap pertama, tujuan kami adalah mendemonstrasikan kemampuan manufaktur desain dan mengidentifikasi permasalahan dalam konsep produksi,” jelas Gleiss. “Jadi penyangga tegangan menonjol dari permukaan luar struktur rangka, dan kami menempelkan serat karbon ke inti ini menggunakan gulungan filamen basah. Setelah itu, pada langkah ketiga, kita menekuk kepala masing-masing tie rod. termoplastik, jadi kita cukup menggunakan panas untuk membentuk kembali kepala agar rata dan terkunci pada lapisan pembungkus pertama. Kami kemudian melanjutkan untuk membungkus kembali struktur tersebut sehingga kepala dorong datar tertutup secara geometris di dalam tangki. laminasi di dinding.
Tutup pengatur jarak untuk penggulungan. TUM menggunakan tutup plastik di ujung batang penegang untuk mencegah serat kusut selama penggulungan filamen. Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
Glace kembali menegaskan bahwa tank pertama ini merupakan bukti konsep. “Penggunaan 3D print dan lem hanya untuk pengujian awal dan memberikan gambaran kepada kami tentang beberapa permasalahan yang kami temui. Misalnya, selama penggulungan, filamen tersangkut di ujung batang penegang, menyebabkan putusnya serat, kerusakan serat, dan berkurangnya jumlah serat untuk mengatasi hal ini. kami menggunakan beberapa tutup plastik sebagai alat bantu produksi yang dipasang pada tiang sebelum langkah penggulungan pertama. Kemudian, ketika laminasi bagian dalam dibuat, kami melepaskan tutup pelindung ini dan membentuk kembali ujung tiang sebelum pembungkusan akhir.”
Tim bereksperimen dengan berbagai skenario rekonstruksi. “Mereka yang melihat sekeliling adalah yang terbaik,” kata Grace. “Selain itu, selama tahap pembuatan prototipe, kami menggunakan alat las yang dimodifikasi untuk menerapkan panas dan membentuk kembali ujung tie rod. Dalam konsep produksi massal, Anda akan memiliki satu alat lebih besar yang dapat membentuk dan membentuk semua ujung penyangga menjadi laminasi penyelesaian interior pada saat yang bersamaan. . ”
Kepala drawbar dibentuk ulang. TUM bereksperimen dengan berbagai konsep dan memodifikasi las untuk menyelaraskan ujung ikatan komposit untuk dipasang pada laminasi dinding tangki. Kredit gambar: “Pengembangan proses produksi bejana tekan kubik dengan penahan”, Universitas Teknik Munich, proyek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Dengan demikian, laminasi disembuhkan setelah langkah penggulungan pertama, tiang dibentuk kembali, TUM menyelesaikan penggulungan kedua filamen, dan kemudian laminasi dinding tangki bagian luar diawetkan untuk kedua kalinya. Perlu diketahui bahwa ini adalah desain tangki tipe 5, yang berarti tidak memiliki lapisan plastik sebagai penahan gas. Simak pembahasannya pada bagian Langkah Selanjutnya di bawah ini.
“Kami memotong demo pertama menjadi beberapa bagian dan memetakan area yang terhubung,” kata Glace. “Penglihatan dari dekat menunjukkan bahwa kami memiliki beberapa masalah kualitas dengan laminasi, dengan kepala penyangga tidak terletak rata pada laminasi interior.”
Memecahkan masalah celah antara laminasi dinding bagian dalam dan luar tangki. Kepala tie rod yang dimodifikasi menciptakan celah antara putaran pertama dan kedua tangki percobaan. Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
Tangki awal berukuran 450 x 290 x 80mm ini selesai dibangun musim panas lalu. “Kami telah membuat banyak kemajuan sejak saat itu, namun kami masih memiliki kesenjangan antara laminasi interior dan eksterior,” kata Glace. “Jadi kami mencoba mengisi celah tersebut dengan resin yang bersih dan memiliki viskositas tinggi. Hal ini sebenarnya meningkatkan hubungan antara tiang dan laminasi, yang sangat meningkatkan tekanan mekanis.”
Tim terus mengembangkan desain dan proses tangki, termasuk solusi pola lilitan yang diinginkan. “Sisi tangki uji tidak sepenuhnya melengkung karena geometri ini sulit membuat jalur yang berkelok-kelok,” jelas Glace. “Sudut belitan awal kami adalah 75°, namun kami tahu bahwa diperlukan beberapa sirkuit untuk memenuhi beban di bejana tekan ini. Kami masih mencari solusi untuk masalah ini, namun tidak mudah dengan software yang ada di pasaran saat ini. Ini mungkin menjadi proyek tindak lanjut.
“Kami telah menunjukkan kelayakan konsep produksi ini,” kata Gleiss, “tetapi kami perlu bekerja lebih jauh untuk meningkatkan sambungan antara laminasi dan membentuk kembali batang pengikat. “Pengujian eksternal pada mesin pengujian. Anda menarik spacer dari laminasi dan menguji beban mekanis yang dapat ditahan oleh sambungan tersebut.”
Bagian dari proyek Polymers4Hydrogen ini akan selesai pada akhir tahun 2023, saat itu Gleis berharap dapat menyelesaikan tangki demonstrasi kedua. Menariknya, desain saat ini menggunakan termoplastik yang diperkuat dengan rapi pada rangka dan komposit termoset pada dinding tangki. Apakah pendekatan hibrida ini akan 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.” Dia menyebutkan dua mitra yang mengerjakan pekerjaan ini, PCCL dan Universitas Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss dan timnya juga bertukar informasi dan mendiskusikan ide dengan Jaeger mengenai proyek HyDden kedua dari tangki komposit konformal LCC.
“Kami akan memproduksi bejana tekan komposit konformal untuk drone penelitian,” kata Jaeger. “Ini merupakan kerjasama dua departemen yaitu Departemen Dirgantara dan Geodesi TUM – LCC dan Departemen Teknologi Helikopter (HT). Proyek tersebut akan selesai pada akhir tahun 2024 dan saat ini kami sedang menyelesaikan pressure vessel. desain yang lebih mengarah pada pendekatan dirgantara dan otomotif. Setelah tahap konsep awal ini, langkah selanjutnya adalah melakukan pemodelan struktur secara detail dan memprediksi kinerja penghalang struktur dinding.”
“Ide keseluruhannya adalah mengembangkan drone eksplorasi dengan sel bahan bakar hibrida dan sistem propulsi baterai,” lanjutnya. Pesawat ini akan menggunakan baterai selama beban daya tinggi (yaitu lepas landas dan mendarat) dan kemudian beralih ke sel bahan bakar selama jelajah dengan beban ringan. “Tim HT telah memiliki drone penelitian dan mendesain ulang powertrainnya untuk menggunakan baterai dan sel bahan bakar,” kata Yeager. “Mereka juga membeli tangki CGH2 untuk menguji transmisi ini.”
“Tim saya ditugaskan untuk membuat prototipe tangki bertekanan yang sesuai, namun bukan karena masalah pengemasan yang akan ditimbulkan oleh tangki silinder,” jelasnya. “Tangki yang lebih datar tidak memberikan banyak hambatan angin. Jadi, Anda mendapatkan performa penerbangan yang lebih baik.” Dimensi tangki kira-kira. 830x350x173mm.
Tangki yang sepenuhnya termoplastik sesuai dengan AFP. Untuk proyek HyDden, tim LCC di TUM awalnya mengeksplorasi pendekatan serupa dengan yang digunakan oleh Glace (di atas), namun kemudian beralih ke pendekatan yang menggunakan kombinasi beberapa modul struktural, yang kemudian digunakan secara berlebihan dengan menggunakan AFP (di bawah). Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
“Salah satu idenya mirip dengan pendekatan Elisabeth [Gleiss],” kata Yager, “untuk menerapkan penahan tegangan pada dinding kapal untuk 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 raknya sudah terintegrasi. Pendekatan ini memungkinkan saya untuk menggabungkan beberapa modul terintegrasi ini dan kemudian menerapkan penutup ujung untuk menutup semuanya sebelum penggulungan akhir AFP.”
“Kami sedang mencoba untuk menyelesaikan konsep seperti itu,” lanjutnya, “dan juga mulai menguji pemilihan material, yang sangat penting untuk memastikan ketahanan yang diperlukan terhadap penetrasi gas H2. Untuk ini, kami terutama menggunakan bahan termoplastik dan sedang mengerjakan berbagai bagaimana bahan tersebut akan mempengaruhi perilaku permeasi dan pemrosesan di mesin AFP. Penting untuk memahami apakah pengobatan akan memberikan efek dan apakah diperlukan pasca-pemrosesan. Kami juga ingin mengetahui apakah tumpukan yang berbeda akan mempengaruhi perembesan hidrogen melalui bejana bertekanan.”
Tangki seluruhnya akan terbuat dari termoplastik dan stripnya akan dipasok oleh Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jerman). “Kami akan menggunakan bahan PPS [polifenilen sulfida], PEEK [polieter keton] dan LM PAEK [poliaril keton leleh rendah],” kata Yager. “Perbandingan kemudian dilakukan untuk melihat mana yang terbaik untuk perlindungan penetrasi dan menghasilkan suku cadang dengan kinerja lebih baik.” Dia berharap untuk menyelesaikan pengujian, pemodelan struktural dan proses serta demonstrasi pertama dalam tahun depan.
Pekerjaan penelitian dilakukan dalam modul COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) dalam program COMET Kementerian Federal untuk Perubahan Iklim, Lingkungan, Energi, Mobilitas, Inovasi dan Teknologi dan Kementerian Federal untuk Teknologi Digital dan Ekonomi. . Penulis berterima kasih kepada mitra yang berpartisipasi Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Fakultas Teknik dan Sains Polimer, Departemen Kimia Bahan Polimer, Departemen Ilmu Material dan Pengujian Polimer), University of Tampere (Fakultas Teknik) Bahan). ) Science), Peak Technology dan Faurecia berkontribusi pada pekerjaan penelitian ini. COMET-Modul didanai oleh pemerintah Austria dan pemerintah negara bagian Styria.
Lembaran pra-perkuatan 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 komponen tertentu akan bergantung pada material, desain komponen, dan penggunaan atau aplikasi akhir. Berikut panduan pemilihannya.
Shocker Composites dan R&M International sedang mengembangkan rantai pasokan serat karbon daur ulang yang tidak menghasilkan pemotongan, biaya lebih rendah dibandingkan serat murni, dan pada akhirnya akan menawarkan panjang yang mendekati sifat struktural serat kontinu.
Waktu posting: 15 Maret 2023