Standarta plakanās platformas tvertnes BEV un FCEV izmanto termoplastiskos un termoset kompozītus ar skeleta konstrukciju, kas nodrošina par 25% vairāk H2 uzglabāšanas. #Hidrogēns #Trends
Pēc sadarbības ar BMW parādīja, ka kubiskā tvertne varētu nodrošināt augstāku tilpuma efektivitāti nekā vairāki mazi cilindri, Minhenes tehniskā universitāte uzsāka projektu, lai izstrādātu saliktu struktūru un mērogojamu ražošanas procesu sērijveida ražošanai. Attēla kredīts: TU Drēzdens (top) pa kreisi), Minhenes tehniskā universitāte, oglekļa kompozītu departaments (LCC)
Degvielas elementu elektriskie transportlīdzekļi (FCEV), ko darbina ar nulles emisijas (H2) ūdeņradi, nodrošina papildu līdzekļus vides mērķu sasniegšanai. Degvielas šūnu pasažieru automašīnu ar H2 motoru var aizpildīt 5-7 minūtēs, un tā diapazons ir 500 km, bet šobrīd ir dārgāks zemu ražošanas apjoms. Viens veids, kā samazināt izmaksas, ir standarta platformas izmantošana BEV un FCEV modeļiem. Pašlaik tas nav iespējams, jo 4. tipa cilindriskās tvertnes, ko izmanto saspiestas H2 gāzes (CGH2) glabāšanai ar 700 bāriem FCEV, nav piemērotas apakšdaļas akumulatora nodalījumiem, kas ir rūpīgi izstrādāti elektriskajiem transportlīdzekļiem. Tomēr spiediena tvertnes spilvenu un kubu veidā var ietilpt šajā plakanajā iepakojuma telpā.
Patents US5577630A “Kompozītā konformālā spiediena tvertnei”, pieteikums, ko 1995. gadā (pa kreisi) iesniedza Thiokol Corp., un taisnstūra spiediena tvertne, kuru patentēja BMW 2009. gadā (labajā pusē).
Minhenes Tehniskās universitātes (Tum, Minhenes, Vācija) oglekļa kompozītu departaments (LCC) ir iesaistīts divos projektos šīs koncepcijas izstrādei. Pirmais ir polimēru4hidrogēns (P4H), kuru vada LeoBen polimēru kompetences centrs (PCCL, LeoBen, Austrija). LCC darba paketi vada kolēģe Elizabete Glace.
Otrais projekts ir ūdeņraža demonstrācijas un attīstības vide (Hydden), kur LCC vada pētnieks Kristians Džegers. Abu mērķis ir izveidot liela mēroga ražošanas procesa demonstrāciju, lai izveidotu piemērotu CGH2 tvertni, izmantojot oglekļa šķiedras kompozītus.
Ir ierobežota tilpuma efektivitāte, kad mazu diametra cilindri ir uzstādīti plakanās akumulatora šūnās (pa kreisi) un kubiskā 2. tipa spiediena tvertnēs, kas izgatavotas no tērauda starplikām un oglekļa šķiedras/epoksīda kompozīta ārējā apvalka (labajā pusē). Attēla avots: 3. un 6. attēls ir no RUF un Zaremba et al. II tipa spiediena kārbas ar iekšējām spriegojuma kājām “skaitliskā dizaina pieeja”.
P4H ir izgatavojis eksperimentālu kuba tvertni, kurā tiek izmantots termoplastisks rāmis ar kompozītmateriāla spriegojuma siksnām/statņiem, kas iesaiņoti ar oglekļa šķiedras pastiprinātu epoksīdu. Hydden izmantos līdzīgu dizainu, bet visu termoplastisko kompozītmateriālu tvertņu ražošanai izmantos automātisku šķiedru izkārtojumu (AFP).
Sākot no Thiokol Corp patenta pielietojuma līdz “saliktam konformālajam spiediena tvertnei” 1995. gadā līdz vācu patenta DE19749950C2 1997. gadā saspiestiem gāzes traukiem “var būt jebkura ģeometriska konfigurācija”, bet īpaši plakanas un neregulāras formas dobumā, kas savienots ar čaumalas atbalstu. Elementi tiek izmantoti tā, lai tie varētu izturēt gāzes izplešanās spēku.
A 2006 Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) paper describes three approaches: a filament wound conformal pressure vessel, a microlattice pressure vessel containing an internal orthorhombic lattice structure (small cells of 2 cm or less), surrounded by a thin-walled H2 container, and a replicator container, consisting of an internal structure consisting of glued small parts (eg, hexagonal plastic gredzeni) un plānas ārējās apvalka ādas sastāvs. Konteineru dublikātiem ir vispiemērotākie lielākiem konteineriem, kur var būt grūti piemērot tradicionālās metodes.
Patents DE102009057170A, ko 2009. gadā iesniedza Volkswagen, aprakstīts uz transportlīdzekli uzstādīts spiediena tvertne, kas nodrošinās lielu svara efektivitāti, vienlaikus uzlabojot kosmosa izmantošanu. Taisnstūra tvertnēs tiek izmantoti spriegojuma savienotāji starp divām taisnstūrveida pretējām sienām, un stūri ir noapaļoti.
Iepriekš minētos un citus jēdzienus Gleiss citē rakstā “Procesa attīstība kubiskā spiediena tvertnēm ar stiepjiem”, ko veidojuši Gleiss et al. ECCM20 (2022. gada 26.-30. Jūnijs, Lozanne, Šveice). Šajā rakstā viņa citē Maikla Roofa un Svena Zaremba publicēto TUM pētījumu, kurā atklājās, ka kubiskā spiediena tvertne ar spriegojuma statņiem, kas savieno taisnstūrveida malas, ir efektīvāks nekā vairāki mazi cilindri, kas ietilpst plakanas akumulatora telpā, nodrošinot aptuveni 25% vairāk. uzglabāšanas telpa.
Saskaņā ar Gleiss teikto, liela skaita mazu 4. cilindru uzstādīšanas problēma plakanā gadījumā ir tāda, ka “tilpums starp cilindriem ir ievērojami samazināts un sistēmai ir arī ļoti liela H2 gāzes caurlaidības virsma. Kopumā sistēma nodrošina mazāku uzglabāšanas jaudu nekā kubiskās burkas. ”
Tomēr ir arī citas problēmas ar tvertnes kubisko dizainu. "Acīmredzot saspiestās gāzes dēļ jums jānovērš nelīdzenuma spēki uz plakanās sienām," sacīja Gleiss. “Tam jums ir nepieciešama pastiprināta struktūra, kas iekšēji savieno ar tvertnes sienām. Bet to ir grūti izdarīt ar kompozītmateriāliem. ”
Glace un viņas komanda mēģināja spiediena tvertnē iekļaut pastiprinošos spriedzes stieņus tādā veidā, kas būtu piemērots kvēldiega tinuma procesam. "Tas ir svarīgi liela apjoma ražošanai," viņa skaidro, "un ļauj mums arī noformēt konteinera sienu tinumu, lai optimizētu šķiedru orientāciju katrai zonas kravai."
Četri soļi, lai izveidotu izmēģinājuma kubisko kompozītmateriālu tvertni P4H projektam. Attēla kredīts: “Kubiskā spiediena tvertņu ar bikšu ražošanas procesa izstrāde”, Minhenes tehniskā universitāte, Polymers4Hidrogēna projekts, ECCM20, 2022. gada jūnijs.
Lai sasniegtu ķēžu, komanda ir izstrādājusi jaunu koncepciju, kas sastāv no četriem galvenajiem soļiem, kā parādīts iepriekš. Sprieguma statņi, kas uz pakāpieniem parādīti melnā krāsā, ir saliekama rāmja struktūra, kas izgatavota, izmantojot metodes, kas ņemtas no Mai Skelett projekta. Šim projektam BMW izstrādāja vējstikla rāmi “Framework”, izmantojot četrus šķiedrvielu pastiprinātus Pultrusion stieņus, kas pēc tam tika veidoti plastmasas rāmī.
Eksperimentālās kubiskās tvertnes rāmis. Sešstūra skeleta sekcijas 3D drukātas ar TUM, izmantojot nestiprinātu PLA pavedienu (augšpusē), ievietojot CF/PA6 pultrūzijas stieņus kā spriegojuma breketes (vidū) un pēc tam iesaiņojot kvēldiegu ap breketēm (apakšā). Attēla kredīts: Minhenes tehniskā universitāte LCC.
"Ideja ir tāda, ka jūs varat izveidot kubiskās tvertnes rāmi kā modulāru struktūru," sacīja Glace. "Pēc tam šie moduļi tiek ievietoti formēšanas instrumentā, spriegošanas statņi tiek ievietoti rāmja moduļos, un pēc tam ap statņiem izmanto Mai Skelett metodi, lai tos integrētu ar rāmja detaļām." Masveida ražošanas metode, kā rezultātā tiek izveidota struktūra, kuru pēc tam izmanto kā mandrēlu vai kodolu, lai iesaiņotu uzglabāšanas tvertnes kompozītmateriāla apvalku.
Tum projektēja tvertnes rāmi kā kubisko “spilvenu” ar cietām malām, noapaļotiem stūriem un sešstūra rakstu augšpusē un apakšā, caur kuru saites var ievietot un piestiprināt. Arī šo plauktu caurumi tika iespiesti 3D. "Sākotnējā eksperimentālajā tvertnē mēs 3D drukājām sešstūra rāmju sekcijas, izmantojot polilaktīnskābi [PLA, uz bio bāzes termoplastisko], jo tā bija viegli un lēta," sacīja Glace.
Komanda iegādājās 68 PULTRUDED oglekļa šķiedras pastiprinātus poliamīda 6 (PA6) stieņus no SGL oglekļa (Meitingen, Vācija), lai to izmantotu kā saites. “Lai pārbaudītu koncepciju, mēs neveicām liešanu,” saka Gleiss, “bet vienkārši ievietotas starplikas 3D drukātā šūnveida kodola rāmī un pielīmēja tās ar epoksīda līmi. Pēc tam tas nodrošina mandolu tvertnes tinšanai. ” Viņa norāda, ka, lai arī šie stieņi ir salīdzinoši viegli vējš, ir dažas nozīmīgas problēmas, kas tiks aprakstītas vēlāk.
“Pirmajā posmā mūsu mērķis bija parādīt projektēšanas ražojamību un identificēt problēmas ražošanas koncepcijā,” skaidroja Gleiss. “Tātad spriedzes statņi izvirzās no skeleta struktūras ārējās virsmas, un mēs ar mitru kvēldiega tinumu piestiprinām oglekļa šķiedras. Pēc tam trešajā posmā mēs saliecam katra kaklasaites stieņa galvu. Termoplastisks, tāpēc mēs vienkārši izmantojam siltumu, lai pārveidotu galvu tā, lai tā saplacinātu un bloķētu pirmajā iesaiņojuma slānī. Pēc tam mēs atkal iesaiņojam struktūru tā, lai plakanā vilces galva būtu ģeometriski norobežota tvertnē. lamināts uz sienām.
Starplikas vāciņš tinumam. Tum izmanto plastmasas vāciņus uz spriegojuma stieņu galiem, lai neļautu šķiedrām jucekli kvēldiega tinuma laikā. Attēla kredīts: Minhenes tehniskā universitāte LCC.
Glace atkārtoja, ka šī pirmā tvertne ir koncepcijas pierādījums. “3D drukāšanas un līmes izmantošana bija paredzēta tikai sākotnējai pārbaudei un sniedza mums priekšstatu par dažām problēmām, ar kurām mēs saskārāmies. Piemēram, tinuma laikā pavedienus noķēra spriegojuma stieņu gali, izraisot šķiedrvielu pārrāvumu, šķiedrvielu bojājumus un samazinot šķiedrvielu daudzumu, lai to novērstu. Mēs izmantojām dažus plastmasas vāciņus kā ražošanas palīglīdzekļus, kas tika novietoti uz stabiem pirms pirmā tinuma pakāpiena. Pēc tam, kad tika izgatavoti iekšējie lamināti, mēs noņēmām šos aizsargplānus un pirms galīgās iesaiņošanas pārveidojām stabu galus. ”
Komanda eksperimentēja ar dažādiem rekonstrukcijas scenārijiem. “Tie, kas skatās apkārt, darbojas vislabāk,” saka Greisa. “Arī prototipēšanas fāzes laikā mēs izmantojām modificētu metināšanas rīku, lai uzklātu siltumu un pārveidotu kaklasaites stieņa galus. Masveida ražošanas koncepcijā jums būtu viens lielāks rīks, kas vienlaikus var veidot un visus statņu galus veidot iekšējā apdarē. Apvidū ”
Drawbar galvas pārveidoja. TUM eksperimentēja ar dažādiem jēdzieniem un modificēja metinātās metinātas, lai izlīdzinātu kompozītmateriāla saites galus, lai piestiprinātu pie tvertnes sienas lamināta. Attēla kredīts: “Kubiskā spiediena tvertņu ar bikšu ražošanas procesa izstrāde”, Minhenes tehniskā universitāte, Polymers4Hidrogēna projekts, ECCM20, 2022. gada jūnijs.
Tādējādi lamināts tiek izārstēts pēc pirmā tinuma posma, stabi tiek pārveidoti, Tum pabeidz pavedienu otro tinumu, un pēc tam ārējās tvertnes sienas lamināts tiek izārstēts otro reizi. Lūdzu, ņemiet vērā, ka tas ir 5. tipa tvertnes dizains, kas nozīmē, ka tam nav plastmasas oderējuma kā gāzes barjera. Skatiet diskusiju nākamajā sadaļā Nākamajā darbību sadaļā.
"Mēs sagriezām pirmo demonstrāciju šķērsgriezumā un kartējām savienoto zonu," sacīja Glace. "Tuvums parāda, ka mums bija dažas kvalitatīvas problēmas ar laminātu, un statņu galviņas nelikās plakaniski uz iekšējā lamināta."
Atrisinot problēmas ar spraugām starp tvertnes iekšējo un ārējo sienu laminātu. Modificētā kaklasaites stieņa galva rada spraugu starp eksperimentālās tvertnes pirmajiem un otrajiem pagriezieniem. Attēla kredīts: Minhenes tehniskā universitāte LCC.
Šī sākotnējā 450 x 290 x 80 mm tvertne tika pabeigta pagājušajā vasarā. "Kopš tā laika mēs esam guvuši daudz progresu, bet mums joprojām ir plaisa starp iekšējo un ārējo laminātu," sacīja Glace. “Tāpēc mēs mēģinājām aizpildīt šīs nepilnības ar tīru, augstu viskozitātes sveķiem. Tas faktiski uzlabo saikni starp tapām un laminātu, kas ievērojami palielina mehānisko spriegumu. ”
Komanda turpināja attīstīt tvertnes dizainu un procesu, ieskaitot vēlamā tinuma modeļa risinājumus. “Testa tvertnes malas nebija pilnībā izlocītas, jo šai ģeometrijai bija grūti izveidot tinuma ceļu,” skaidroja Glace. “Mūsu sākotnējais tinuma leņķis bija 75 °, bet mēs zinājām, ka, lai sasniegtu slodzi šajā spiediena traukā, ir vajadzīgas vairākas ķēdes. Mēs joprojām meklējam šīs problēmas risinājumu, taču programmatūrai, kas šobrīd darbojas tirgū, nav viegli. Tas var kļūt par papildu projektu.
"Mēs esam parādījuši šīs ražošanas koncepcijas iespējamību," saka Gleiss, "bet mums ir jāstrādā tālāk, lai uzlabotu saikni starp laminātu un pārveidotu kaklasaites stieņus. “Ārējā pārbaude testēšanas mašīnā. Jūs izvelkat starplikas no lamināta un pārbaudāt mehāniskās slodzes, kuras šie savienojumi var izturēt. ”
Šī polimēru4hidrogēna projekta daļa tiks pabeigta 2023. gada beigās, līdz tam laiks cer pabeigt otro demonstrācijas tvertni. Interesanti, ka dizainparaugi šodien rāmī un termoset kompozītēs tvertnes sienās izmanto glīti pastiprinātu termoplastiku. Vai šī hibrīda pieeja tiks izmantota galīgajā demonstrācijas tvertnē? - Jā, - Greisa sacīja. "Mūsu partneri Polymers4Hidrogēna projektā izstrādā epoksīda sveķus un citus kompozītmateriālu matricas materiālus ar labākām ūdeņraža barjeras īpašībām." Viņa uzskaita divus partnerus, kas strādā pie šī darba, PCCL un Tamperes universitātes (Tampere, Somija).
Gleiss un viņas komanda arī apmainījās ar informāciju un pārrunāja idejas ar Džegeru par otro Hydden projektu no LCC konformālās kompozītmateriāla tvertnes.
"Mēs ražosim konformālu kompozītmateriāla spiediena tvertni pētniecības droniem," saka Džegers. “Šī ir sadarbība starp divām Aviācijas un kosmosa departamenta un ģeodēziskās nodaļas nodaļām - LCC un Helikopteru tehnoloģijas departamentu (HT). Projekts tiks pabeigts līdz 2024. gada beigām, un mēs šobrīd pabeidzam spiediena tvertni. dizains, kas drīzāk ir kosmiskā aviācijas un automobiļu pieeja. Pēc šī sākotnējā koncepcijas posma nākamais solis ir veikt detalizētu strukturālo modelēšanu un paredzēt sienas struktūras barjeras veiktspēju. ”
"Visa ideja ir izstrādāt izpētes dronu ar hibrīda degvielas elementu un akumulatora vilces sistēmu," viņš turpināja. Tas akumulatoru izmantos lielas jaudas slodzes laikā (ti, pacelšanās un piezemēšanās) un pēc tam pārslēdzas uz degvielas šūnu vieglas slodzes kruīza laikā. "HT komandai jau bija pētniecības drons un viņš pārveidoja spēka piedziņu, lai izmantotu gan baterijas, gan degvielas šūnas," sacīja Yeager. "Viņi arī iegādājās CGH2 tvertni, lai pārbaudītu šo pārraidi."
"Manai komandai tika uzdots izveidot spiediena tvertnes prototipu, kas derētu, bet ne tāpēc, ka to radītu cilindriskā tvertne, ko radītu cilindriska tvertne," viņš skaidro. “Gludāka tvertne nepiedāvā tik daudz vēja pretestības. Tātad jūs iegūstat labāku lidojuma veiktspēju. ” Cisternu izmēri apm. 830 x 350 x 173 mm.
Pilnībā termoplastiska AFP atbilstoša tvertne. Hydden projektam LCC komanda TUM Attēla kredīts: Minhenes tehniskā universitāte LCC.
“Viena ideja ir līdzīga Elisabeth [Gleiss] pieejai,” saka Yager, “lai uzkarsētu spriedzes stiprinājumus uz kuģa sienām, lai kompensētu augstas liekšanas spēkus. Tomēr, tā vietā, lai tvertnes izveidošanai izmantotu tinumu, mēs izmantojam AFP. Tāpēc mēs domājām izveidot atsevišķu spiediena tvertnes sadaļu, kurā plaukti jau ir integrēti. Šī pieeja ļāva man apvienot vairākus no šiem integrētajiem moduļiem un pēc tam uzklāt gala vāciņu, lai visu aizzīmogotu pirms galīgā AFP tinuma. ”
"Mēs cenšamies pabeigt šādu koncepciju," viņš turpināja, "un arī sāk pārbaudīt materiālu izvēli, kas ir ļoti svarīgi, lai nodrošinātu nepieciešamo pretestību H2 gāzes iespiešanai. Šajā sakarā mēs galvenokārt izmantojam termoplastiskos materiālus un strādājam pie dažādiem, kā materiāls ietekmēs šo caurlaidības izturēšanos un apstrādi AFP mašīnā. Ir svarīgi saprast, vai ārstēšanai būs ietekme un vai ir nepieciešama pēcapstrāde. Mēs arī vēlamies zināt, vai dažādas kaudzes ietekmēs ūdeņraža caurlaidību caur spiediena tvertni. ”
Tvertne būs pilnībā izgatavota no termoplastiskas, un sloksnes piegādās Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Vācija). "Mēs izmantosim viņu PPS [polifenilēn sulfīdu], PEEK [Polyether Ketone] un LM Paek [zemu kušanas poliarila ketona] materiālus," sacīja Jagers. "Pēc tam tiek veikti salīdzinājumi, lai redzētu, kurš no tiem ir vislabākais iespiešanās aizsardzībai un ražo detaļas ar labāku sniegumu." Viņš cer pabeigt testēšanas, struktūras un procesa modelēšanu un pirmās demonstrācijas nākamā gada laikā.
Pētniecības darbs tika veikts komētas modulī “Polymers4Hidrogēns” (ID 21647053) Federālās klimata pārmaiņu ministrijas, vides, enerģijas, mobilitātes, inovāciju un tehnoloģiju komētas programmas ietvaros un Federālā digitālo tehnoloģiju un ekonomikas ministrija. Apvidū Autori pateicas iesaistītajiem partneriem Polimēru kompetences centram Leoben GmbH (PCCL, Austrija), Montanuniversitaet Leoben (Polimēru inženierzinātņu un zinātnes fakultāte, Polimēru Materiālu ķīmijas katedra, Materiālu zinātnes un polimēru testēšanas katedra), Tamperes Universitāte (inženiertehnisko materiālu fakultāte). ) Zinātne), pīķa tehnoloģija un Faurecia veicināja šo pētījumu darbu. Komētu-Modulu finansē Austrijas valdība un Stērijas štata valdība.
Iepriekš pastiprinātas loksnes slodzes saturošām struktūrām satur nepārtrauktas šķiedras-ne tikai no stikla, bet arī no oglekļa un aramīda.
Ir daudz veidu, kā izgatavot saliktās daļas. Tāpēc metodes izvēle noteiktai daļai būs atkarīga no materiāla, detaļas dizaina un gala izmantošanas vai pielietojuma. Šeit ir atlases rokasgrāmata.
Shocker Composites un R&M International izstrādā pārstrādātu oglekļa šķiedru piegādes ķēdi, kas nodrošina nulles kaušanu, zemākas izmaksas nekā neapstrādātas šķiedras un galu galā piedāvās garumu, kas tuvojas nepārtrauktai šķiedrai strukturālajās īpašībās.
Pasta laiks: 15-15-2033.