Стандардните резервоари со рамна платформа за BEV и FCEV користат термопластични и терморегуларни композити со конструкција на скелет што обезбедува 25% повеќе H2 складирање. #водород #трендови
Откако соработката со BMW покажа дека кубниот резервоар може да обезбеди поголема волуметриска ефикасност од повеќе мали цилиндри, Техничкиот универзитет во Минхен започна проект за развој на композитна структура и скалабилен производствен процес за сериско производство. Кредит на слика: ТУ Дрезден (горе) лево), Технички универзитет во Минхен, Оддел за јаглеродни композити (LCC)
Електричните возила со горивни ќелии (FCEV) напојувани со водород со нулта емисија (H2) обезбедуваат дополнителни средства за постигнување на нула еколошки цели. Патнички автомобил со горивни ќелии со мотор H2 може да се наполни за 5-7 минути и има опсег од 500 km, но моментално е поскап поради малиот обем на производство. Еден начин да се намалат трошоците е да се користи стандардна платформа за моделите BEV и FCEV. Ова во моментов не е возможно бидејќи цилиндричните резервоари од тип 4 што се користат за складирање на компримиран гас H2 (CGH2) на 700 бари во FCEV не се погодни за преградите за батерии под каросеријата кои се внимателно дизајнирани за електрични возила. Сепак, садовите под притисок во форма на перници и коцки можат да се вклопат во овој рамен простор за пакување.
Патентот US5577630A за „Композитен конформален сад за притисок“, апликација поднесена од Thiokol Corp. во 1995 година (лево) и правоаголниот сад под притисок патентиран од BMW во 2009 година (десно).
Одделот за јаглеродни композити (LCC) на Техничкиот универзитет во Минхен (TUM, Минхен, Германија) е вклучен во два проекти за развој на овој концепт. Првиот е Polymers4Hydrogen (P4H), предводен од Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Австрија). Работниот пакет LCC го води соработничката Елизабет Глејс.
Вториот проект е Опкружување за демонстрација и развој на водород (HyDDen), каде што LCC го води истражувачот Кристијан Јегер. И двете имаат за цел да создадат голема демонстрација на производствениот процес за правење соодветен резервоар CGH2 користејќи композити од јаглеродни влакна.
Има ограничена волуметриска ефикасност кога цилиндрите со мал дијаметар се инсталираат во рамни батериски ќелии (лево) и кубни садови под притисок од тип 2 направени од челични облоги и надворешна обвивка од јаглеродни влакна/епоксидна композитна обвивка (десно). Извор на слика: сликите 3 и 6 се од „Пристап на нумерички дизајн за сад за притисочна кутија од тип II со внатрешни затегнати нозе“ од Руф и Заремба и сор.
P4H направи експериментален резервоар со коцка кој користи термопластична рамка со композитни затегнувачки ремени/потпори обвиткани во епоксидна армирана со јаглеродни влакна. HyDDen ќе користи сличен дизајн, но ќе користи автоматско поставување на влакна (AFP) за производство на сите термопластични композитни резервоари.
Од патентна пријава од Thiokol Corp. до „Композитен конформален сад за притисок“ во 1995 година до германски патент DE19749950C2 во 1997 година, садовите со компримиран гас „може да имаат каква било геометриска конфигурација“, но особено рамни и неправилни форми, во шуплината поврзана со . елементите се користат за да можат да ја издржат силата на проширување на гасот.
Трудот од Националната лабораторија на Лоренс Ливермор (LLNL) од 2006 година опишува три пристапи: конформален сад под притисок навиен со влакно, сад под притисок со микрорешетка што содржи внатрешна ортохомбична решеткаста структура (мали ќелии од 2 cm или помалку), опкружена со H2 контејнер со тенок ѕид. и контејнер за репликатор, кој се состои од внатрешна структура која се состои од залепени мали делови (на пример, шестоаголни пластични прстени) и состав од тенка надворешна обвивка. Двојните контејнери се најпогодни за поголеми контејнери каде што традиционалните методи може да бидат тешки за примена.
Патентот DE102009057170A поднесен од Volkswagen во 2009 година опишува сад под притисок монтиран на возилото кој ќе обезбеди висока ефикасност во тежината, а истовремено ќе ја подобри искористеноста на просторот. Правоаголните резервоари користат приклучоци за затегнување помеѓу два правоаголни спротивни ѕидови, а аглите се заоблени.
Горенаведените и другите концепти се цитирани од Глајс во трудот „Развој на процеси за садови со кубен притисок со шипки за истегнување“ од Gleiss et al. на ECCM20 (26-30 јуни 2022 година, Лозана, Швајцарија). Во овој напис, таа цитира студија TUM објавена од Мајкл Роф и Свен Заремба, која покажа дека кубен сад под притисок со затегнувачки потпори што ги поврзуваат правоаголните страни е поефикасен од неколку мали цилиндри кои се вклопуваат во просторот на рамна батерија, обезбедувајќи приближно 25 % повеќе. простор за складирање.
Според Gleiss, проблемот со инсталирање на голем број мали цилиндри од тип 4 во рамно куќиште е што „волуменот помеѓу цилиндрите е значително намален и системот исто така има многу голема површина за пробивање на гас H2. Генерално, системот обезбедува помал капацитет за складирање од кубните тегли.
Сепак, има и други проблеми со кубниот дизајн на резервоарот. „Очигледно, поради компримираниот гас, треба да се спротивставите на силите на свиткување на рамните ѕидови“, рече Глајс. „За ова, потребна ви е армирана структура која внатрешно се поврзува со ѕидовите на резервоарот. Но, тоа е тешко да се направи со композитите“.
Глејс и нејзиниот тим се обидоа да вградат зајакнувачки затегнувачки шипки во садот под притисок на начин што би бил соодветен за процесот на намотување на влакното. „Ова е важно за производство со голем обем“, објаснува таа, „и исто така ни овозможува да ја дизајнираме шемата на намотување на ѕидовите на контејнерот за да ја оптимизираме ориентацијата на влакната за секое оптоварување во зоната“.
Четири чекори за да се направи пробен кубен композитен резервоар за проектот P4H. Кредит на слика: „Развој на производствен процес за кубни садови под притисок со заграда“, Технички универзитет во Минхен, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, јуни 2022 година.
За да се постигне on-chain, тимот разви нов концепт кој се состои од четири главни чекори, како што е прикажано погоре. Затегнувачките потпори, прикажани во црно на скалите, се монтажна структура на рамка, изработена со методи преземени од проектот MAI Skelett. За овој проект, BMW разви „рамка“ на рамката на шофершајбната со помош на четири шипки засилени со влакна, кои потоа беа обликувани во пластична рамка.
Рамката на експериментален кубен резервоар. Шестоаголни скелетни пресеци 3D отпечатени од TUM користејќи незасилена PLA филамент (горе), вметнувајќи ги шипките CF/PA6 како затегнувачки загради (во средината) и потоа завиткување на филаментот околу заградите (долу). Кредит на слика: Технички универзитет во Минхен LCC.
„Идејата е дека можете да изградите рамка на кубен резервоар како модуларна структура“, рече Глејс. „Овие модули потоа се ставаат во алат за обликување, затегнувачките потпори се поставуваат во модулите на рамката, а потоа методот на MAI Skelett се користи околу потпорите за да се интегрираат со деловите на рамката“. метод на масовно производство, што резултира со структура која потоа се користи како мандрела или јадро за обвиткување на композитната обвивка на резервоарот за складирање.
ТУМ ја дизајнираше рамката на резервоарот како кубна „перница“ со цврсти страни, заоблени агли и шестоаголна шема на врвот и на дното преку која може да се вметнат и прикачат врски. Дупките за овие лавици исто така беа испечатени 3Д. „За нашиот првичен експериментален резервоар, 3Д испечативме шестоаголни делови од рамката користејќи полилактична киселина [PLA, био-базирана термопластика] бидејќи беше лесен и евтин“, рече Глејс.
Тимот купи 68 шипки со полиамид 6 (PA6) зајакнати со јаглеродни влакна од SGL Carbon (Мајтинген, Германија) за употреба како врски. „За да го тестираме концептот, не направивме калапи“, вели Глајс, „туку едноставно вметнавме разделници во 3D печатена рамка од јадро од саќе и ги залепивме со епоксиден лепак. Ова потоа обезбедува мандрела за намотување на резервоарот“. Таа забележува дека иако овие прачки се релативно лесни за намотување, има некои значајни проблеми кои ќе бидат опишани подоцна.
„Во првата фаза, нашата цел беше да ја демонстрираме изработката на дизајнот и да ги идентификуваме проблемите во производствениот концепт“, објасни Глајс. „Значи, затегнувачките потпори излегуваат од надворешната површина на скелетната структура и ги прицврстуваме јаглеродните влакна на ова јадро користејќи намотување со влажна нишка. После тоа, во третиот чекор, ја свиткуваме главата на секоја прачка за врзување. термопластични, па ние само користиме топлина за да ја преобликуваме главата така што ќе се израмни и ќе се заглави во првиот слој на обвивка. Потоа продолжуваме повторно да ја обвиткуваме структурата така што рамната потисна глава е геометриски затворена во резервоарот. ламинат на ѕидовите.
Капаче за намотување. TUM користи пластични капачиња на краевите на затегнувачките шипки за да спречи заплеткување на влакната за време на намотување на влакното. Кредит на слика: Технички универзитет во Минхен LCC.
Глејс повтори дека овој прв резервоар е доказ за концепт. „Употребата на 3Д печатење и лепак беше само за првично тестирање и ни даде идеја за неколку од проблемите со кои наидовме. На пример, за време на намотување, филаментите беа зафатени за краевите на затегнувачките шипки, предизвикувајќи кршење на влакната, оштетување на влакната и намалување на количината на влакна за да се спротивстави на тоа. користевме неколку пластични капачиња како производствени помагала кои беа поставени на столбовите пред првиот чекор на намотување. Потоа, кога беа направени внатрешните ламинати, ги отстранивме овие заштитни капачиња и ги преобликувавме краевите на столбовите пред конечното завиткување.
Тимот експериментираше со различни сценарија за реконструкција. „Оние кои гледаат наоколу работат најдобро“, вели Грејс. „Исто така, за време на фазата на прототип, користевме модифицирана алатка за заварување за нанесување топлина и преобликување на краевите на шипката. Во концептот на масовно производство, ќе имате една поголема алатка која може истовремено да ги обликува и формира сите краеви на потпорите во внатрешен финиш ламинат. . ”
Главите на шипката се преобликуваат. TUM експериментираше со различни концепти и ги модифицираше заварите за да ги усогласат краевите на композитните врски за прицврстување на ламинатот на ѕидот на резервоарот. Кредит на слика: „Развој на производствен процес за кубни садови под притисок со заграда“, Технички универзитет во Минхен, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, јуни 2022 година.
Така, ламинатот се стврднува по првиот чекор на намотување, столбовите се преобликуваат, TUM го завршува второто намотување на филаментите, а потоа ламинатот на надворешниот ѕид на резервоарот се стврднува по втор пат. Ве молиме имајте предвид дека ова е дизајн на резервоар од тип 5, што значи дека нема пластична обвивка како гасна бариера. Погледнете ја дискусијата во делот Следни чекори подолу.
„Го пресековме првото демо на пресеци и ја мапиравме поврзаната област“, рече Глејс. „Одблиску покажува дека имавме некои проблеми со квалитетот со ламинатот, со тоа што главите на потпорите не лежеа рамно на внатрешниот ламинат“.
Решавање проблеми со празнините помеѓу ламинатот на внатрешните и надворешните ѕидови на резервоарот. Модифицираната глава на шипката создава празнина помеѓу првиот и вториот свиок на експерименталниот резервоар. Кредит на слика: Технички универзитет во Минхен LCC.
Овој првичен резервоар од 450 x 290 x 80 mm беше завршен минатото лето. „Постигнавме многу напредок од тогаш, но сè уште имаме јаз помеѓу внатрешниот и надворешниот ламинат“, рече Глејс. „Значи, се обидовме да ги пополниме тие празнини со чиста смола со висок вискозитет. Ова всушност ја подобрува врската помеѓу столпчињата и ламинатот, што во голема мера го зголемува механичкиот стрес“.
Тимот продолжи да го развива дизајнот и процесот на резервоарот, вклучувајќи решенија за посакуваната шема на намотување. „Страните на резервоарот за тестирање не беа целосно завиткани затоа што беше тешко за оваа геометрија да создаде патека за кривина“, објасни Глејс. „Нашиот првичен агол на намотување беше 75°, но знаевме дека се потребни повеќе кола за да се исполни оптоварувањето во овој сад под притисок. Сè уште бараме решение за овој проблем, но не е лесно со софтверот кој моментално е на пазарот. Тоа може да стане следен проект.
„Ја демонстриравме изводливоста на овој производствен концепт“, вели Глаис, „но треба да работиме понатаму за да ја подобриме врската помеѓу ламинатот и да ги преобликуваме шипките за врзување. „Екстерно тестирање на машина за тестирање. Ги извлекувате разделувачите од ламинатот и ги тестирате механичките оптоварувања што тие споеви можат да ги издржат“.
Овој дел од проектот Polymers4Hydrogen ќе биде завршен на крајот на 2023 година, до кога Gleis се надева дека ќе го заврши вториот демонстративен резервоар. Интересно е тоа што дизајните денес користат уредна армирана термопластика во рамката и термозацврстени композити во ѕидовите на резервоарот. Дали овој хибриден пристап ќе се користи во последниот демонстративен резервоар? „Да“, рече Грејс. „Нашите партнери во проектот Polymers4Hydrogen развиваат епоксидни смоли и други композитни матрични материјали со подобри својства на водородна бариера“. Таа наведува двајца партнери кои работат на ова дело, PCCL и Универзитетот во Тампере (Тампере, Финска).
Глајс и нејзиниот тим, исто така, разменија информации и разговараа за идеи со Јегер за вториот проект HyDDen од конформалниот композитен резервоар LCC.
„Ќе произведуваме конформален композитен сад под притисок за истражувачки дронови“, вели Јегер. „Ова е соработка помеѓу двата одделенија на Одделот за воздухопловство и геодет на TUM – LCC и Одделот за хеликоптерска технологија (HT). Проектот ќе биде завршен до крајот на 2024 година и моментално го завршуваме садот под притисок. дизајн кој повеќе е воздушен и автомобилски пристап. По оваа почетна фаза на концепт, следниот чекор е да се изврши детално структурно моделирање и да се предвиди перформансите на бариерата на ѕидната конструкција“.
„Целата идеја е да се развие истражувачки дрон со хибридни горивни ќелии и погонски систем на батерии“, продолжи тој. Ќе ја користи батеријата при оптоварување со голема моќност (т.е. полетување и слетување), а потоа ќе се префрли на горивната ќелија за време на крстарење со лесно оптоварување. „Тимот HT веќе имаше истражувачки дрон и го редизајнираше погонскиот систем за да користи и батерии и горивни ќелии“, рече Јегер. „Тие купија и резервоар CGH2 за да го тестираат овој пренос“.
„Мојот тим имаше задача да изгради прототип на резервоар под притисок што ќе одговара, но не поради проблемите со пакувањето што би ги создал цилиндричниот резервоар“, објаснува тој. „Порамниот резервоар не нуди толку голема отпорност на ветер. Така ќе добиете подобри перформанси на летот“. Димензии на резервоарот прибл. 830 x 350 x 173 mm.
Целосно термопластичен резервоар усогласен со AFP. За проектот HyDDen, тимот на LCC во TUM првично истражуваше сличен пристап на оној што го користеше Glace (горе), но потоа премина на пристап кој користи комбинација од неколку структурни модули, кои потоа беа прекумерно искористени користејќи AFP (подолу). Кредит на слика: Технички универзитет во Минхен LCC.
„Една идеја е слична на пристапот на Елизабет [Глаис]“, вели Јагер, „да се нанесат затегнувачки загради на ѕидот на садот за да се компензираат високите сили на свиткување. Меѓутоа, наместо да користиме процес на намотување за да го направиме резервоарот, ние користиме AFP. Затоа, размислувавме да создадеме посебен дел од садот под притисок, во кој решетките се веќе интегрирани. Овој пристап ми овозможи да комбинирам неколку од овие интегрирани модули и потоа да нанесам крајна капа за да запечатам сè пред конечното намотување AFP.
„Се обидуваме да го финализираме таков концепт“, продолжи тој, „и исто така да започнеме со тестирање на изборот на материјали, што е многу важно за да се обезбеди потребната отпорност на пенетрација на гасот H2. За ова, ние главно користиме термопластични материјали и работиме на различни начини како материјалот ќе влијае на однесувањето и обработката на пробивањето во машината AFP. Важно е да се разбере дали третманот ќе има ефект и дали е потребна пост-обработка. Исто така, сакаме да знаеме дали различните купови ќе влијаат на пропустливоста на водородот низ садот под притисок“.
Резервоарот ќе биде целосно изработен од термопластика, а лентите ќе бидат испорачани од Teijin Carbon Europe GmbH (Вупертал, Германија). „Ќе ги користиме нивните материјали PPS [полифенилен сулфид], PEEK [полиетер кетон] и LM PAEK [ниско топење полиарил кетон]“, рече Јагер. „Потоа се прават споредби за да се види кој е најдобар за заштита од пенетрација и производство на делови со подобри перформанси. Тој се надева дека ќе го заврши тестирањето, структурното и процесно моделирање и првите демонстрации во текот на следната година.
Истражувачката работа беше спроведена во рамките на COMET модулот „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) во рамките на програмата COMET на Федералното Министерство за климатски промени, животна средина, енергија, мобилност, иновации и технологија и Федералното Министерство за дигитална технологија и економија. . Авторите им се заблагодаруваат на партнерите-учесници Polymer Competence Centre Leoben GmbH (PCCL, Австрија), Montanuniversitaet Leoben (Факултет за полимерно инженерство и наука, Оддел за хемија на полимерни материјали, Оддел за наука за материјали и тестирање на полимери), Универзитетот во Тампере (Факултет за инженерство Материјали). ) Наука), Peak Technology и Faurecia придонесоа за оваа истражувачка работа. COMET-Modul е финансиран од владата на Австрија и владата на покраината Штаерска.
Претходно засилените листови за носечки конструкции содржат континуирани влакна - не само од стакло, туку и од јаглерод и арамид.
Постојат многу начини да се направат композитни делови. Затоа, изборот на метод за одреден дел ќе зависи од материјалот, дизајнот на делот и крајната употреба или примена. Еве водич за избор.
Shocker Composites и R&M International развиваат синџир на снабдување со рециклирани јаглеродни влакна што обезбедува нула колење, пониска цена од девственото влакно и на крајот ќе понуди должини што се приближуваат до континуираните влакна во структурните својства.
Време на објавување: Мар-15-2023 година