האוניברסיטה הטכנית של מינכן מפתחת טנקים מעוקבים קונפורמליים באמצעות מרוכבים של סיבי פחמן כדי להגדיל את אחסון המימן | עולם המרוכבים

טנקים סטנדרטיים של פלטפורמות שטוחות עבור BEVs ו- FCEVs משתמשים במרכיבים תרמופלסטיים ותרמוסט עם בניית שלד המספק 25% יותר אחסון H2. #hydrogen #מגמות
לאחר שיתוף פעולה עם ב.מ.וו הראה כי מיכל מעוקב יכול לספק יעילות נפחית גבוהה יותר מאשר צילינדרים קטנים מרובים, האוניברסיטה הטכנית של מינכן יצאה לפרויקט לפיתוח מבנה מורכב ותהליך ייצור מדרגי לייצור סדרתי. קרדיט תמונה: TU Dresden (למעלה) משמאל), האוניברסיטה הטכנית של מינכן, המחלקה למרכיבי פחמן (LCC)
רכבים חשמליים של תאי דלק (FCEVs) המופעלים על ידי פליטת אפס (H2) מימן מספקים אמצעים נוספים להשגת אפס יעדים סביבתיים. ניתן למלא מכונית נוסעים של תאי דלק עם מנוע H2 תוך 5-7 דקות ויש לה טווח של 500 ק"מ, אך כיום היא יקרה יותר בגלל היקפי הייצור הנמוכים. אחת הדרכים להפחתת עלויות היא להשתמש בפלטפורמה סטנדרטית לדגמי BEV ו- FCEV. זה כרגע לא אפשרי מכיוון שהטנקים הגליליים מסוג 4 המשמשים לאחסון גז H2 דחוס (CGH2) ב -700 בר ב- FCEV אינם מתאימים לתאי הסוללה התחתונים שתוכננו בקפידה עבור כלי רכב חשמליים. עם זאת, כלי לחץ בצורת כריות וקוביות יכולים להשתלב במרחב האריזה השטוח הזה.
פטנט US5577630 א ל"וניה לחץ קונפורמטית מורכבת ", יישום שהוגש על ידי חברת Thiokol Corp. בשנת 1995 (משמאל) וכלי הלחץ המלבני שקיבל פטנט על ידי BMW בשנת 2009 (מימין).
המחלקה למרכיבי פחמן (LCC) של האוניברסיטה הטכנית של מינכן (TUM, מינכן, גרמניה) מעורבת בשני פרויקטים לפיתוח מושג זה. הראשון הוא Polymers4Hhydrogen (P4H), בהובלת מרכז היכולת הפולימר Leoben (PCCL, Leoben, אוסטריה). את חבילת העבודה של LCC מובילה על ידי עמיתת אליזבת גלאס.
הפרויקט השני הוא סביבת ההדגמה והפיתוח של מימן (Hydden), שם מובילה LCC על ידי החוקר כריסטיאן יגר. שניהם שואפים ליצור הדגמה רחבת היקף של תהליך הייצור לייצור מיכל CGH2 מתאים באמצעות מרוכבים של סיבי פחמן.
קיימת יעילות נפחית מוגבלת כאשר מותקנים צילינדרים בקוטר קטן בתאי סוללה שטוחים (משמאל) וכלי לחץ מעוקב מסוג 2 העשויים ספינות פלדה ופגז חיצוני מורכב של סיבי פחמן/אפוקסי (מימין). מקור תמונה: איורים 3 ו -6 הם מ"גישה עיצובית מספרית לכלי תיבת לחץ מסוג II עם רגלי מתח פנימיות "מאת RUF ו- Zaremba et al.
P4H יצר מיכל קוביה ניסיוני המשתמש במסגרת תרמופלסטית עם רצועות מתח/תמוכות מורכבות עטופות באפוקסי מזוין סיבי פחמן. הידדן ישתמש בעיצוב דומה, אך ישתמש במערך סיבים אוטומטי (AFP) כדי לייצר את כל הטנקים המורכבים התרמופלסטיים.
מיישום פטנטים של חברת Thiokol Corp. ל"ספינת לחץ קונפורמטית מורכבת "בשנת 1995 לפטנט גרמני DE19749950C2 בשנת 1997, ספינות גז דחוסות" עשויות להיות בעלות תצורה גיאומטרית ", אך במיוחד צורות שטוחות ולא סדירות, בחלל המחובר לתמיכה בפגזים" ו משתמשים באלמנטים כך שיוכלו לעמוד בכוח הרחבת הגז.
נייר מעבדה לאומי לורנס ליברמור משנת 2006 (LLNL) מתאר שלוש גישות: כלי לחץ קונפורמי של נימה, כלי לחץ מיקרו-טחון המכיל מבנה סריג אורתורומבי פנימי (תאים קטנים של 2 ס"מ או פחות), מוקף על ידי מיכל H2 דק-קיר, ומיכל משכפל, המורכב ממבנה פנימי המורכב מחלקים קטנים מודבקים (למשל, טבעות פלסטיק משושה) ו- A הרכב של עור גסה חיצוני דק. מכולות כפולות מתאימות ביותר למכולות גדולות יותר שבהם קשה ליישם שיטות מסורתיות.
פטנט DE102009057170A שהוגש על ידי פולקסווגן בשנת 2009 מתאר כלי לחץ רכוב על רכב שיספק יעילות גבוהה במשקל תוך שיפור ניצול החלל. טנקים מלבניים משתמשים במחברי מתח בין שני קירות מלבנים מלבניים, והפינות מעוגלות.
מושגים לעיל ואחרים מצוטטים על ידי Gleiss בעיתון "פיתוח תהליכים לכלי לחץ מעוקב עם מוטות מתיחה" על ידי Gleiss et al. ב- ECCM20 (26-30 ביוני, 2022, לוזאן, שוויץ). במאמר זה היא מצטטת מחקר של TUM שפרסם מייקל רוף וסוון זארמבה, שגילה כי כלי לחץ מעוקב עם תמוכות מתח המחברים בין צד מלבני יעיל יותר מכמה צילינדרים קטנים שמתאימים לחלל של סוללה שטוחה, ומספקים כ- 25 כ- 25 % יותר. שטח אחסון.
לדברי גליס, הבעיה בהתקנת מספר גדול של צילינדרים מסוג קטן 4 במקרה שטוח היא ש"נפח בין הצילינדרים מופחת מאוד והמערכת כוללת גם משטח חדירת גז H2 גדול מאוד. בסך הכל, המערכת מספקת פחות קיבולת אחסון מאשר צנצנות מעוקבות. "
עם זאת, ישנן בעיות אחרות בעיצוב המעוקב של הטנק. "ברור, בגלל הגז הדחוס, אתה צריך לסתור את כוחות הכיפוף על הקירות השטוחים," אמר גליס. "לשם כך אתה זקוק למבנה מזוין שמתחבר פנימי לקירות המכל. אבל זה קשה לעשות עם מרוכבים. "
גלאס וצוותה ניסו לשלב סורגי מתח חיזוק בכלי הלחץ באופן שיתאים לתהליך המתפתל של הנימה. "זה חשוב לייצור בנפח גבוה", היא מסבירה, "ומאפשרת לנו גם לתכנן את התבנית המתפתלת של קירות המכולה כדי לייעל את כיוון הסיבים לכל עומס באזור."
ארבעה שלבים לייצור ניסיון טנק מורכב מעוקב לפרויקט P4H. קרדיט תמונה: "פיתוח תהליך ייצור לספינות לחץ מעוקב עם סד", האוניברסיטה הטכנית של מינכן, Polymers4Hhydrogen Project, ECCM20, יוני 2022.
כדי להשיג על שרשרת, הצוות פיתח מושג חדש המורכב מארבעה שלבים עיקריים, כפי שמוצג לעיל. תמוכות המתח, המוצגות בשחור על המדרגות, הן מבנה מסגרת טרומי המופק בשיטות שנלקחו מפרויקט Mai Skelett. עבור פרויקט זה, ב.מ.וו פיתחה "מסגרת" מסגרת קדמית באמצעות ארבעה מוטות פילוזיה מחוזקות סיבים, שעוצבו אז למסגרת פלסטיק.
המסגרת של מיכל מעוקב ניסיוני. קטעי שלד משושה 3D מודפסים על ידי TUM באמצעות נימה PLA מחוזקת מחוזקת (למעלה), מכניסים מוטות CF/PA6 PULTRUSING כ- STRESTERS (אמצע) ואז עוטפים את הנימה סביב הפלטות (התחתונה). קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
"הרעיון הוא שתוכל לבנות את המסגרת של מיכל מעוקב כמבנה מודולרי," אמר גלאס. "המודולים הללו ממוקמים אז בכלי דפוס, תמוכות המתח ממוקמות במודולי המסגרת, ואז השיטה של ​​מאי סקלט משמשת סביב המיתות כדי לשלב אותם עם חלקי המסגרת." שיטת ייצור המונים, וכתוצאה מכך מבנה המשמש אז כקלט או גרעין לעטוף את המעטפת המורכבת של מיכל האחסון.
TUM עיצב את מסגרת הטנק כ"כרית "מעוקבת עם צדדים מוצקים, פינות מעוגלות ותבנית משושה בחלק העליון והתחתון דרכם ניתן להכניס ולחבר קשרים. החורים למתלים אלה הודפסו גם הם. "עבור מיכל הניסוי הראשוני שלנו, אנו מודפסים תלת מימד קטעי מסגרת משושה באמצעות חומצה פולילקטית [PLA, תרמופלסטית מבוססת ביו] מכיוון שהיא הייתה קלה וזולה", אמרה גלאס.
הצוות רכש 68 מוטות Polyamide 6 (PA6) של סיבי פחמן מחוזקים 6 (PA6) מ- SGL Carbon (Meitingen, גרמניה) לשימוש כקשרים. "כדי לבדוק את הרעיון, לא עשינו שום דפוס", אומר גליס, "אלא פשוט הכנסנו מרווחים למסגרת ליבה מודפסת תלת מימדית והדביקה אותם בדבק אפוקסי. לאחר מכן זה מספק קנה לפיתול הטנק. " היא מציינת שלמרות שמוטות אלה קלים יחסית לרוח, ישנן כמה בעיות משמעותיות שתואר בהמשך.
"בשלב הראשון המטרה שלנו הייתה להפגין את הייצור של העיצוב ולזהות בעיות במושג הייצור", הסביר גליס. "אז תמיסי המתח בולטים מהמשטח החיצוני של מבנה השלד, ואנחנו מחברים את סיבי הפחמן לליבה זו באמצעות פיתול נימה רטובה. לאחר מכן, בשלב השלישי, אנו מכופפים את הראש של כל מוט עניבה. תרמופלסטי, כך שאנחנו פשוט משתמשים בחום כדי לעצב מחדש את הראש כך שהוא ישטח וננעל לשכבה הראשונה של העטיפה. לאחר מכן אנו ממשיכים לעטוף את המבנה שוב כך שראש הדחף השטוח סגור באופן גיאומטרי בתוך המיכל. למינציה על הקירות.
כובע מרווח לפיתול. TUM משתמש בכובעי פלסטיק בקצות מוטות המתח כדי למנוע את הסבך הסיבים במהלך פיתול הנימה. קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
גלאס חזר והדגיש כי הטנק הראשון הזה היה הוכחת מושג. "השימוש בהדפסת תלת מימד ודבק נועד רק לבדיקה ראשונית ונתן לנו מושג על כמה מהבעיות שנתקלנו בהן. לדוגמה, במהלך הפיתול, החוטים נתפסו על ידי קצות מוטות המתח, וגרמו לשבירת סיבים, נזק לסיבים והפחתת כמות הסיבים כדי להתמודד עם זה. השתמשנו בכמה כובעי פלסטיק כעזרי ייצור שהונחו על הקטבים לפני הצעד המתפתל הראשון. ואז, כאשר נעשו למינציה הפנימית, הסרנו את כובעי המגן הללו ועיצבנו מחדש את קצות הפולנים לפני העטיפה הסופית. "
הצוות עשה ניסויים בתרחישי שחזור שונים. "מי שמסתכל סביב עובד הכי טוב", אומר גרייס. "כמו כן, בשלב האב -טיפוס השתמשנו בכלי ריתוך שונה כדי למרוח חום ולעצב מחדש את קצוות מוט העניבה. במושג ייצור המוני, יהיה לך כלי אחד גדול יותר שיכול לעצב וליצור את כל קצות המותלים לגימור פנים למינציה בו זמנית. ו ”
ראשי דריכה עוצבו מחדש. TUM ניסה עם מושגים שונים ושינה את הריתוכים כדי ליישר את קצות הקשרים המורכבים לצורך חיבור למינציה של קיר הטנק. קרדיט תמונה: "פיתוח תהליך ייצור לספינות לחץ מעוקב עם סד", האוניברסיטה הטכנית של מינכן, Polymers4Hhydrogen Project, ECCM20, יוני 2022.
לפיכך, הרבד נרפא לאחר הצעד המתפתל הראשון, העמדות מעוצבות מחדש, ה- TUM משלים את המתפתל השני של החוטים, ואז למינציה של קיר הטנק החיצוני מרפא בפעם השנייה. שימו לב שמדובר בעיצוב טנקים מסוג 5, מה שאומר שאין לו אוניית פלסטיק כמחסום גז. עיין בדיון בסעיף הצעדים הבאים להלן.
"חתכנו את ההדגמה הראשונה לחתכים רוחביים ומיפחנו את השטח המחובר," אמר גלאס. "מקרוב מראה כי היו לנו כמה בעיות איכותיות עם הרבד, כאשר ראשי יתד לא מונחים שטוחים על הרבד הפנימי."
פתרון בעיות עם פערים בין למינציה של הקירות הפנימיים והחיצוניים של המכל. ראש מוט העניבה שהשתנה יוצר פער בין הסיבובים הראשונים והשניים של המיכל הניסוי. קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
טנק ראשוני זה של 450 x 290 x 80 מ"מ הושלם בקיץ האחרון. "התקדמנו מאז, אבל עדיין יש לנו פער בין למינציה פנים לחוץ," אמר גלאס. "אז ניסינו למלא את הפערים האלה עם שרף צמיגות נקי וגבוה. זה למעשה משפר את הקשר בין הרבעה למינציה, מה שמגדיל מאוד את הלחץ המכני. "
הצוות המשיך לפתח את עיצוב הטנק והתהליך, כולל פתרונות לתבנית המתפתלת הרצויה. "צידי מיכל הבדיקה לא היו מכורבלים לחלוטין מכיוון שהיה קשה לגיאומטריה זו ליצור מסלול מתפתל", הסביר גלאס. "הזווית המתפתלת הראשונית שלנו הייתה 75 מעלות, אך ידענו שיש צורך במעגלים מרובים כדי לעמוד בעומס בכלי לחץ זה. אנו עדיין מחפשים פיתרון לבעיה זו, אך זה לא קל עם התוכנה כיום בשוק. זה עשוי להפוך לפרויקט מעקב.
"הדגמנו את היתכנותו של מושג הייצור הזה", אומר גליס, "אך עלינו לעבוד עוד יותר כדי לשפר את הקשר בין הרבד ולעצב מחדש את מוטות העניבה. "בדיקות חיצוניות במכונת בדיקה. אתה שולף את המרווחים מהרבד ובודק את העומסים המכניים שהמפרקים האלה יכולים לעמוד. "
חלק זה של פרויקט Polymers4hhydrogen יסתיים בסוף 2023, אז מקווה שגליס מקווה להשלים את מיכל ההפגנה השני. מעניין לציין כי עיצובים כיום משתמשים בתרמופלסטים מזוינים מסודרים במסגרת המרוכבים של המסגרת והתרמוסט בקירות הטנק. האם גישה היברידית זו תשמש במיכל ההפגנה הסופי? "כן," אמרה גרייס. "השותפים שלנו בפרויקט Polymers4hydrogen מפתחים שרפים אפוקסי וחומרים מטריקס מורכבים אחרים עם תכונות מחסום מימן טובות יותר." היא מפרטת שני שותפים העובדים על עבודה זו, PCCL ואוניברסיטת טמפרה (טמפרה, פינלנד).
גליס וצוותה החליפו גם מידע ודיברו על רעיונות עם יגר בפרויקט ההידדן השני מהטנק המורכב הקונפורמי -מורכב של LCC.
"אנו נפיק כלי לחץ מורכב קונפורמי למל"טים מחקריים", אומר יגר. "זהו שיתוף פעולה בין שתי המחלקות של המחלקה האווירית והגיאודטית של TUM - LCC לבין המחלקה לטכנולוגיית המסוקים (HT). הפרויקט יושלם בסוף 2024 ואנחנו משלימים כעת את כלי הלחץ. עיצוב שהוא יותר גישה וחלל וחלל רכב. לאחר שלב הרעיון הראשוני הזה, השלב הבא הוא לבצע דוגמנות מבנית מפורטת ולחזות את ביצועי המחסום של מבנה הקיר. "
"כל הרעיון הוא לפתח מזל"ט גישוש עם תאי דלק היברידיים ומערכת הנעת סוללות," הוא המשיך. זה ישתמש בסוללה במהלך עומסי חשמל גבוהים (כלומר המראה ונחיתה) ואז יעבור לתא הדלק במהלך שייט בעומס קל. "צוות ה- HT כבר היה במזל"ט מחקר ועיצב מחדש את מנוע ההפעלה כדי להשתמש בסוללות וגם בתאי דלק," אמר ייגר. "הם רכשו גם מיכל CGH2 לבדיקת התמסורת הזו."
"הצוות שלי הוטל על בניית אב -טיפוס של מיכל לחץ שיתאים, אך לא בגלל בעיות האריזה שמיכל גלילי יוצר," הוא מסביר. "טנק מחמיא לא מציע התנגדות לרוח באותה מידה. אז אתה מקבל ביצועי טיסה טובים יותר. " מידות טנק בערך. 830 x 350 x 173 מ"מ.
טנק תואם AFP תרמופלסטי לחלוטין. עבור פרויקט Hydden, צוות LCC ב- TUM בדק בתחילה גישה דומה לזה ששימש את GLACE (למעלה), אך לאחר מכן עבר לגישה באמצעות שילוב של מספר מודולים מבניים, אשר לאחר מכן נעשה שימוש יתר על המידה באמצעות AFP (להלן). קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
"רעיון אחד דומה לגישה של אליזבת [גליס]", אומר יגר, "להחיל פלטות מתח על קיר הכלי כדי לפצות על כוחות הכיפוף הגבוהים. עם זאת, במקום להשתמש בתהליך מתפתל כדי להפוך את הטנק, אנו משתמשים ב- AFP. לכן חשבנו ליצור קטע נפרד מכלי הלחץ, בו המתלים כבר משולבים. גישה זו אפשרה לי לשלב כמה מהמודולים המשולבים הללו ואז ליישם כובע קצה כדי לאטום הכל לפני מתפתל ה- AFP הסופי. "
"אנו מנסים לסיים מושג כזה", הוא המשיך, "וגם להתחיל לבדוק את בחירת החומרים, וזה מאוד חשוב להבטיח את ההתנגדות הדרושה לחדירת גז H2. לשם כך אנו משתמשים בעיקר בחומרים תרמופלסטיים ועובדים על שונות כיצד החומר ישפיע על התנהגות ועיבוד חדירות זה במכונת AFP. חשוב להבין אם הטיפול ישפיע ואם יש צורך בעידוד לאחר עיבוד. אנו רוצים גם לדעת אם ערימות שונות ישפיעו על חדירת מימן דרך כלי הלחץ. "
הטנק יהיה עשוי כולו תרמופלסטי והרצועות יסופקו על ידי Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, גרמניה). "אנו נשתמש ב- PPS שלהם [פוליפנילן סולפיד], PEEK [Polyether Ketone] ו- LM Paek [חומרים נמוך נמס polyary ketone]," אמר יגר. "לאחר מכן נעשות השוואה כדי לראות איזו מהן מתאימה להגנת החדירה ולייצור חלקים עם ביצועים טובים יותר." הוא מקווה להשלים בדיקות, דוגמנות מבנית ועיבוד והפגנות ראשונות בשנה הבאה.
עבודת המחקר בוצעה בתוך מודול השביט "Polymers4hydrogen" (ID 21647053) במסגרת תוכנית השביט של המשרד הפדרלי לשינויי אקלים, הסביבה, האנרגיה, הניידות, החדשנות והטכנולוגיה והמשרד הטכנולוגי והכלכלה הפדרלית. ו הכותבים מודים למרכז יכולת הפולימרים של השותפים המשתתפים Leoben GmbH (PCCL, אוסטריה), Montanuniversitaet Leoben (הפקולטה להנדסת פולימרים ומדע, המחלקה לכימיה של חומרי פולימרים, המחלקה למדעי החומרים ובדיקת פולימר), אוניברסיטת טמפרה (סמל ההנדסה חומרים). ) מדע), טכנולוגיית שיא ופאורציה תרמו לעבודת מחקר זו. שביט-מודול ממומן על ידי ממשלת אוסטריה וממשלת מדינת סטיריה.
סדינים מחוזקים מראש למבנים הנושאים עומס מכילים סיבים רציפים-לא רק מזכוכית, אלא גם מפחמן וארמיד.
ישנן דרכים רבות ליצור חלקים מורכבים. לפיכך, בחירת השיטה לחלק מסוים תהיה תלויה בחומר, בעיצוב החלק ובשימוש הסופי או ביישום. להלן מדריך בחירה.
מרוכבים מזעזעים ו- R&M International מפתחים שרשרת אספקה ​​ממוחזרת של סיבי פחמן המספקת אפס שחיטה, עלות נמוכה יותר מאשר סיבים בתולים ובסופו של דבר תציע אורכים המתקרבים לסיבים רציפים בתכונות מבניות.