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 memberikan efisiensi volumetrik yang lebih tinggi daripada beberapa silinder kecil, Universitas Teknik Munich memulai proyek untuk mengembangkan struktur komposit dan proses manufaktur yang dapat diskalakan 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 (H2) tanpa emisi memberikan cara tambahan untuk mencapai target lingkungan nol. Mobil penumpang sel bahan bakar dengan mesin H2 dapat diisi 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. Saat ini hal ini tidak memungkinkan karena tangki silinder Tipe 4 yang digunakan untuk menyimpan gas H2 terkompresi (CGH2) pada 700 bar di FCEV tidak cocok untuk kompartemen baterai di bawah bodi yang telah dirancang dengan cermat untuk kendaraan listrik. Namun, bejana tekan dalam bentuk bantal dan kubus dapat masuk ke dalam ruang kemasan datar ini.
Paten US5577630A untuk “Bejana Tekan Konformal Komposit”, 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) Universitas Teknik Munich (TUM, Munich, Jerman) terlibat dalam dua proyek untuk mengembangkan konsep ini. Yang pertama adalah Polymers4Hydrogen (P4H), yang dipimpin oleh Pusat Kompetensi Polimer Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Paket kerja LCC dipimpin oleh Fellow Elizabeth Glace.
Proyek kedua adalah Lingkungan Demonstrasi dan Pengembangan Hidrogen (HyDDen), yang dipimpin oleh Peneliti Christian Jaeger dari LCC. Kedua proyek ini bertujuan untuk menciptakan demonstrasi skala besar dari proses manufaktur untuk membuat tangki CGH2 yang sesuai menggunakan komposit serat karbon.
Terdapat efisiensi volumetrik terbatas ketika silinder berdiameter kecil dipasang pada sel baterai pipih (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 diambil dari “Pendekatan Desain Numerik untuk Bejana Kotak Tekan Tipe II dengan Kaki Penegang 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 penataan serat otomatis (AFP) untuk memproduksi semua tangki komposit termoplastik.
Dari permohonan paten oleh Thiokol Corp. untuk “Bejana Tekanan Konformal Komposit” pada tahun 1995 hingga Paten Jerman DE19749950C2 pada tahun 1997, bejana gas bertekanan “dapat memiliki konfigurasi geometris apa pun”, tetapi terutama bentuk datar dan tidak beraturan, di dalam rongga yang terhubung ke penyangga cangkang. Elemen-elemen tersebut digunakan agar dapat menahan gaya ekspansi gas.
Sebuah makalah dari Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) tahun 2006 menjelaskan tiga pendekatan: bejana tekan konformal yang dililit 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 yang terdiri dari bagian-bagian kecil yang direkatkan (misalnya, cincin plastik heksagonal) dan komposisi kulit cangkang 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 menjelaskan bejana tekan yang dipasang 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 berlawanan, dan sudut-sudutnya dibulatkan.
Konsep-konsep di atas dan 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 penyangga tegangan yang menghubungkan sisi-sisi persegi panjang lebih efisien daripada beberapa silinder kecil yang muat dalam ruang baterai datar, memberikan ruang penyimpanan sekitar 25% lebih banyak.
Menurut Gleiss, masalah dengan memasang sejumlah besar silinder tipe 4 kecil dalam wadah datar adalah bahwa “volume di antara silinder sangat berkurang dan sistem ini juga memiliki permukaan permeasi gas H2 yang sangat besar. Secara keseluruhan, sistem ini menyediakan kapasitas penyimpanan yang lebih rendah daripada wadah berbentuk kubus.”
Namun, ada masalah lain dengan desain kubik tangki tersebut. “Jelas, karena gas yang terkompresi, Anda perlu menangkal gaya lentur pada dinding datar,” kata Gleiss. “Untuk ini, Anda membutuhkan struktur yang diperkuat yang terhubung secara internal ke dinding tangki. Tetapi itu sulit dilakukan dengan material komposit.”
Glace dan timnya mencoba memasukkan batang penegang penguat ke dalam bejana tekan dengan cara yang sesuai untuk proses penggulungan filamen. “Ini penting untuk produksi volume tinggi,” jelasnya, “dan juga memungkinkan kami untuk mendesain pola penggulungan dinding wadah untuk mengoptimalkan orientasi serat untuk setiap beban di zona tersebut.”
Empat langkah untuk membuat tangki komposit kubik percobaan untuk proyek P4H. Sumber gambar: “Pengembangan proses produksi untuk bejana tekan kubik dengan penyangga”, 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. Penyangga tegangan, yang ditunjukkan dengan warna hitam pada setiap langkah, 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 pultrusi yang diperkuat serat, yang kemudian dicetak menjadi rangka plastik.
Kerangka tangki kubus eksperimental. Bagian kerangka heksagonal dicetak 3D oleh TUM menggunakan filamen PLA tanpa penguatan (atas), memasukkan batang pultrusi CF/PA6 sebagai penyangga tegangan (tengah) dan kemudian melilitkan filamen di sekitar penyangga (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 dalam alat cetakan, penyangga tegangan ditempatkan di dalam modul kerangka, dan kemudian metode MAI Skelett digunakan di sekitar penyangga untuk mengintegrasikannya dengan bagian-bagian kerangka.” Metode produksi massal ini menghasilkan struktur yang kemudian digunakan sebagai mandrel atau inti untuk membungkus cangkang komposit tangki penyimpanan.
TUM mendesain rangka tangki sebagai "bantalan" kubik dengan sisi padat, 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 eksperimental awal kami, kami mencetak bagian rangka heksagonal menggunakan asam polilaktat [PLA, termoplastik berbasis bio] karena mudah dan murah,” kata Glace.
Tim tersebut membeli 68 batang poliamida 6 (PA6) yang diperkuat serat karbon pultruded dari SGL Carbon (Meitingen, Jerman) untuk digunakan sebagai pengikat. “Untuk menguji konsepnya, kami tidak melakukan pencetakan apa pun,” kata Gleiss, “tetapi hanya memasukkan spacer ke dalam rangka inti sarang lebah yang dicetak 3D dan merekatkannya dengan lem epoksi. Ini kemudian menyediakan mandrel untuk menggulung tangki.” Dia mencatat bahwa meskipun batang-batang ini relatif mudah digulung, ada beberapa masalah signifikan yang akan dijelaskan kemudian.
“Pada tahap pertama, tujuan kami adalah untuk mendemonstrasikan kemampuan manufaktur dari desain tersebut dan mengidentifikasi masalah dalam konsep produksi,” jelas Gleiss. “Jadi, batang penegang menonjol dari permukaan luar struktur rangka, dan kami memasang serat karbon ke inti ini menggunakan lilitan filamen basah. Setelah itu, pada langkah ketiga, kami membengkokkan kepala setiap batang pengikat termoplastik, jadi kami hanya menggunakan panas untuk membentuk kembali kepala agar rata dan terkunci ke lapisan pembungkus pertama. Kemudian kami melanjutkan untuk membungkus struktur lagi sehingga kepala dorong yang rata secara geometris terbungkus di dalam laminasi tangki pada 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 menegaskan kembali bahwa tangki pertama ini adalah 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 penegang, menyebabkan kerusakan serat, dan mengurangi jumlah serat. Untuk mengatasi hal ini, kami menggunakan beberapa tutup plastik sebagai alat bantu manufaktur yang ditempatkan pada tiang sebelum langkah penggulungan pertama. Kemudian, ketika laminasi internal dibuat, kami melepas tutup pelindung ini dan membentuk kembali ujung tiang sebelum pembungkus akhir.”
Tim tersebut bereksperimen dengan berbagai skenario rekonstruksi. “Mereka yang melihat sekeliling akan bekerja paling baik,” kata Grace. “Selain itu, selama fase pembuatan prototipe, kami menggunakan alat pengelasan yang dimodifikasi untuk memberikan panas dan membentuk ulang ujung batang pengikat. Dalam konsep produksi massal, Anda akan memiliki satu alat yang lebih besar yang dapat membentuk dan menyusun semua ujung penyangga menjadi laminasi finishing interior secara bersamaan.”
Kepala batang penarik dibentuk ulang. TUM bereksperimen dengan berbagai konsep dan memodifikasi pengelasan untuk menyelaraskan ujung-ujung pengikat komposit agar dapat dipasang pada laminasi dinding tangki. Kredit gambar: “Pengembangan proses produksi untuk bejana tekan kubik dengan penyangga”, Universitas Teknik Munich, proyek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Dengan demikian, laminasi dikeringkan setelah langkah penggulungan pertama, tiang-tiang dibentuk ulang, TUM menyelesaikan penggulungan filamen kedua, dan kemudian laminasi dinding luar tangki 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 Selanjutnya di bawah ini.
“Kami memotong demo pertama menjadi beberapa bagian dan memetakan area yang terhubung,” kata Glace. “Tampilan jarak dekat menunjukkan bahwa kami memiliki beberapa masalah kualitas dengan laminasi, dengan kepala penyangga tidak terpasang rata pada laminasi bagian dalam.”
Memecahkan masalah celah antara laminasi dinding dalam dan luar tangki. Kepala batang pengikat yang dimodifikasi menciptakan celah antara putaran pertama dan kedua tangki eksperimental. Kredit gambar: Universitas Teknik 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 kami masih memiliki celah antara laminasi interior dan eksterior,” kata Glace. “Jadi kami mencoba mengisi celah tersebut dengan resin bersih dan viskositas tinggi. Ini sebenarnya meningkatkan koneksi antara stud dan laminasi, yang sangat meningkatkan tegangan mekanis.”
Tim terus mengembangkan desain dan proses tangki, termasuk solusi untuk pola lilitan yang diinginkan. “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 ada 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 antara laminasi dan membentuk ulang batang pengikat. 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, di mana Gleis berharap dapat menyelesaikan tangki demonstrasi kedua. Menariknya, desain saat ini menggunakan termoplastik yang diperkuat dan rapi pada kerangka dan komposit termoset pada dinding tangki. Akankah pendekatan hibrida ini digunakan pada tangki demonstrasi akhir? “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 adalah 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 desain bejana tekan yang lebih berpendekatan kedirgantaraan dan otomotif. Setelah tahap konsep awal ini, langkah selanjutnya adalah melakukan pemodelan struktural terperinci dan memprediksi kinerja penghalang dari struktur dinding.”
“Ide utamanya adalah mengembangkan drone eksplorasi dengan sistem propulsi hibrida sel bahan bakar dan baterai,” lanjutnya. Drone ini akan menggunakan baterai selama beban daya tinggi (misalnya lepas landas dan pendaratan) dan kemudian beralih ke sel bahan bakar selama penerbangan dengan beban ringan. “Tim HT sudah memiliki drone penelitian dan mendesain ulang sistem penggeraknya untuk menggunakan baterai dan sel bahan bakar,” kata Yeager. “Mereka juga membeli tank CGH2 untuk menguji transmisi ini.”
“Tim saya ditugaskan untuk membangun prototipe tangki tekanan yang sesuai, tetapi bukan karena masalah pengemasan yang akan ditimbulkan oleh tangki silinder,” jelasnya. “Tangki yang lebih pipih tidak menimbulkan banyak hambatan angin. Jadi, Anda mendapatkan performa penerbangan yang lebih baik.” Dimensi tangki sekitar 830 x 350 x 173 mm.
Tangki berbahan termoplastik sepenuhnya yang 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: Universitas Teknik Munich LCC.
“Salah satu idenya mirip dengan pendekatan Elisabeth [Gleiss],” kata Yager, “yaitu menerapkan penyangga tegangan pada dinding bejana untuk mengimbangi gaya lentur 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, di mana rak-rak tersebut sudah terintegrasi. Pendekatan ini memungkinkan saya untuk menggabungkan beberapa modul terintegrasi ini dan kemudian menerapkan penutup ujung untuk menyegel semuanya sebelum penggulungan AFP terakhir.”
“Kami sedang berupaya untuk menyelesaikan konsep tersebut,” lanjutnya, “dan juga mulai menguji pemilihan material, yang sangat penting untuk memastikan ketahanan yang diperlukan terhadap penetrasi gas H2. Untuk itu, kami terutama menggunakan material termoplastik dan sedang mempelajari berbagai cara bagaimana material tersebut akan memengaruhi perilaku permeasi dan pemrosesan di mesin AFP. Penting untuk memahami apakah perlakuan tersebut akan berpengaruh dan apakah diperlukan pemrosesan lanjutan. Kami juga ingin mengetahui apakah susunan lapisan yang berbeda akan memengaruhi permeasi hidrogen melalui bejana tekan.”
Tangki tersebut akan seluruhnya terbuat dari termoplastik dan stripnya akan dipasok oleh Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jerman). “Kami akan menggunakan material PPS [polifenilen sulfida], PEEK [polieter keton], dan LM PAEK [poliaril keton titik leleh rendah] mereka,” kata Yager. “Kemudian akan dilakukan perbandingan 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.
Penelitian ini dilakukan dalam kerangka modul COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) dalam program COMET dari Kementerian Federal untuk Perubahan Iklim, Lingkungan, Energi, Mobilitas, Inovasi dan Teknologi serta Kementerian Federal untuk Teknologi Digital dan Ekonomi. Para penulis mengucapkan terima kasih kepada mitra yang berpartisipasi, yaitu 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), Peak Technology, dan Faurecia yang telah berkontribusi pada penelitian ini. Modul COMET 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 komponen komposit. Oleh karena itu, pemilihan metode untuk komponen tertentu akan bergantung pada material, desain komponen, dan penggunaan atau aplikasi akhirnya. Berikut adalah panduan pemilihan.
Shocker Composites dan R&M International sedang mengembangkan rantai pasokan serat karbon daur ulang yang tidak melibatkan pembantaian hewan, berbiaya lebih rendah daripada serat murni, dan pada akhirnya akan menawarkan panjang yang mendekati serat kontinu dalam sifat strukturalnya.
Waktu posting: 15 Maret 2023