Tanket standarde të platformës së sheshtë për BEV dhe FCEV përdorin përbërës termoplastikë dhe termoset me një ndërtim skeletor që siguron 25% më shumë ruajtje H2. #hidrogjen #trends
Pas një bashkëpunimi me BMW tregoi se një rezervuar kub mund të jepte efikasitet më të lartë vëllimor sesa cilindra të shumtë të vegjël, Universiteti Teknik i Mynihut filloi një projekt për të zhvilluar një strukturë të përbërë dhe një proces prodhimi të shkallëzueshëm për prodhimin serik. Kredia e imazhit: Tu Dresden (Top) majtas), Universiteti Teknik i Mynihut, Departamenti i Kompozitave të Karbonit (LCC)
Automjetet elektrike të qelizave të karburantit (FCEV) të mundësuar nga hidrogjeni i emetimit zero (H2) sigurojnë mjete shtesë për të arritur objektiva zero mjedisor. Një makinë pasagjerësh e qelizave të karburantit me një motor H2 mund të plotësohet në 5-7 minuta dhe ka një gamë prej 500 km, por aktualisht është më e shtrenjtë për shkak të vëllimeve të ulëta të prodhimit. Një mënyrë për të ulur kostot është të përdorni një platformë standarde për modelet BEV dhe FCEV. Kjo aktualisht nuk është e mundur sepse rezervuarët cilindrikë të tipit 4 të përdorura për të ruajtur gazin e kompresuar H2 (CGH2) në 700 bar në FCEV nuk janë të përshtatshme për ndarjet e baterive nënujore që janë dizajnuar me kujdes për automjetet elektrike. Sidoqoftë, enët e presionit në formën e jastëkëve dhe kubeve mund të futen në këtë hapësirë të sheshtë paketimi.
Patenta US5577630A për "anije me presion konformal të përbërë", aplikim i paraqitur nga Thiokol Corp. në 1995 (majtas) dhe anija me presion drejtkëndor i patentuar nga BMW në 2009 (djathtas).
Departamenti i Përbërjeve të Karbonit (LCC) të Universitetit Teknik të Mynihut (TUM, Mynih, Gjermani) është i përfshirë në dy projekte për të zhvilluar këtë koncept. E para është polimeret4hidrogjen (P4H), të udhëhequr nga Qendra e Kompetencave të Polimerit Leoben (PCCL, Leoben, Austri). Paketa e punës LCC drejtohet nga shoku Elizabeth Glace.
Projekti i dytë është mjedisi i demonstrimit dhe zhvillimit të hidrogjenit (Hydden), ku LCC drejtohet nga studiuesi Christian Jaeger. Të dy synojnë të krijojnë një demonstrim në shkallë të gjerë të procesit të prodhimit për të bërë një rezervuar të përshtatshëm CGH2 duke përdorur kompozita të fibrave të karbonit.
Ekziston një efikasitet i kufizuar vëllimor kur cilindrat me diametër të vogël instalohen në qelizat e baterisë së sheshtë (majtas) dhe enët me presion të tipit kub 2 të bëra nga astar çeliku dhe një guaskë e jashtme e përbërë nga fibra karboni/epoksi (djathtas). Burimi i imazhit: Figurat 3 dhe 6 janë nga "Qasja numerike e projektimit për anijen e kutisë së presionit të tipit II me këmbët e tensionit të brendshëm" nga RUF dhe Zaremba et al.
P4H ka fabrikuar një rezervuar eksperimental kubik që përdor një kornizë termoplastike me shirita/shirita tensioni të përbërë të mbështjellë me epoksi të përforcuar me fibër karboni. Hydden do të përdorë një dizajn të ngjashëm, por do të përdorë shtresim automatik të fibrave (AFP) për të prodhuar të gjitha rezervuarët e përbërë termoplastikë.
Nga një aplikim për patentë nga Thiokol Corp. deri në "anije me presion konformal të përbërë" në 1995 deri në patentë gjermane DE19749950C2 në 1997, anijet e gazit të kompresuar "mund të kenë ndonjë konfigurim gjeometrik", por veçanërisht forma të sheshta dhe të parregullta, në një zgavër të lidhur me mbështetjen e guaskës. Elementet përdoren në mënyrë që ata të mund t'i rezistojnë forcës së zgjerimit të gazit.
Një letër e Laboratorit Kombëtar të Laboratorit Livermore të vitit 2006, një enë presioni me mikrolattice që përmban një enë me presion të mikrolattice që përmban një kontejner të brendshëm orthorhombic, që përbëhet nga një strukturë e vogël e qelizave të vogla ose më pak), e rrethuar nga një kontejner i hollë, dhe i rrethuar nga një pjesë e vogël, e cila përbëhet nga një pjesë e vogël, e cila përbëhet nga një pjesë e vogël, e cila përbëhet nga një pjesë e vogël, e cila përbëhet. unaza) dhe një përbërje e lëkurës së hollë të guaskës së jashtme. Kontejnerët e kopjuar janë më të përshtatshëm për kontejnerë më të mëdhenj ku metodat tradicionale mund të jenë të vështira për t'u aplikuar.
Patenta DE102009057170A e paraqitur nga Volkswagen në 2009 përshkruan një anije me presion të montuar në automjet që do të sigurojë efikasitet të peshës së lartë ndërsa përmirëson përdorimin e hapësirës. Tanket drejtkëndëshe përdorin lidhës të tensionit midis dy mureve të kundërta drejtkëndëshe, dhe qoshet janë të rrumbullakosura.
Konceptet e mësipërme dhe konceptet e tjera citohen nga Gleiss në letër "Zhvillimi i procesit për enët me presion kub me shufra shtrirëse" nga Gleiss et al. në ECCM20 (26-30 qershor 2022, Lausanne, Zvicër). Në këtë artikull, ajo citon një studim TUM të botuar nga Michael Roof dhe Sven Zaremba, i cili zbuloi se një enë me presion kub me shirita tensioni që lidh anët drejtkëndëshe është më efikase se disa cilindra të vegjël që përshtaten në hapësirën e një baterie të sheshtë, duke siguruar afërsisht 25% më shumë. hapësirë ruajtjeje.
Sipas Gleiss, problemi me instalimin e një numri të madh të cilindrave të vogël të tipit 4 në një rast të sheshtë është se "vëllimi midis cilindrave është zvogëluar shumë dhe sistemi gjithashtu ka një sipërfaqe shumë të madhe të përshkimit të gazit H2. Në përgjithësi, sistemi siguron më pak kapacitet ruajtjeje sesa kavanoza kub. "
Sidoqoftë, ka probleme të tjera me modelin kub të rezervuarit. "Natyrisht, për shkak të gazit të ngjeshur, ju duhet të kundërveproni forcat e lakimit në muret e sheshta," tha Gleiss. "Për këtë, ju duhet një strukturë e përforcuar që lidhet nga brenda me muret e rezervuarit. Por kjo është e vështirë të bësh me kompozitat. "
GLACE dhe ekipi i saj u përpoqën të përfshijnë shufrat e tensionit përforcues në enën e presionit në një mënyrë që do të ishte e përshtatshme për procesin e dredha -dredha të filamentit. "Kjo është e rëndësishme për prodhimin me vëllim të lartë," shpjegon ajo, "dhe gjithashtu na lejon të hartojmë modelin e dredha-dredha të mureve të enës për të optimizuar orientimin e fibrave për secilën ngarkesë në zonë."
Katër hapa për të bërë një rezervuar të përbërë kub për projektin P4H. Kredia e imazhit: "Zhvillimi i një procesi prodhimi për anijet e presionit kub me Brace", Universiteti Teknik i Mynihut, Projekti Polymers4hidrogjen, ECCM20, Qershor 2022.
Për të arritur në zinxhir, ekipi ka zhvilluar një koncept të ri të përbërë nga katër hapa kryesorë, siç tregohet më lart. Strutat e tensionit, të paraqitura në të zeza në hapa, janë një strukturë kornizë e parafabrikuar e fabrikuar duke përdorur metoda të marra nga projekti MAI Skelett. Për këtë projekt, BMW zhvilloi një kornizë xhami "kornizë" duke përdorur katër shufra pultrusion të përforcuar me fibra, të cilat më pas u formuan në një kornizë plastike.
Korniza e një rezervuari eksperimental kub. Seksionet skeletore gjashtëkëndore 3D të shtypura nga TUM duke përdorur filamentin e PLA të pa përforcuar (në krye), duke futur shufra pultrusion CF/PA6 si sytjena tensioni (të mesme) dhe më pas duke mbështjellur filamentin rreth sytjenave (në fund). Kredia e imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
"Ideja është që ju të mund të ndërtoni kornizën e një rezervuari kub si një strukturë modulare," tha Glace. "Këto module vendosen më pas në një mjet formimi, shiritat e tensionit vendosen në modulet e kornizës, dhe më pas metoda e Mai Skelett përdoret rreth struts për t'i integruar ato me pjesët e kornizës." Metoda e prodhimit në masë, duke rezultuar në një strukturë që përdoret më pas si mandrel ose bërthamë për të mbështjellur guaskën e përbërë të rezervuarit të ruajtjes.
TUM projektoi kornizën e rezervuarit si një "jastëk" kub me anët e ngurta, qoshet e rrumbullakosura dhe një model gjashtëkëndor në pjesën e sipërme dhe të poshtme përmes të cilit lidhjet mund të futen dhe bashkohen. Vrimat për këto rafte u shtypën gjithashtu 3D. "Për rezervuarin tonë fillestar eksperimental, ne seksione kornizë gjashtëkëndore të shtypura 3D duke përdorur acid polilaktik [PLA, një termoplastik me bazë bio] sepse ishte e lehtë dhe e lirë," tha Glace.
Ekipi bleu 68 shufra poliamidi të përforcuar me fibër karboni 6 (PA6) nga SGL Carbon (Meitingen, Gjermani) për t'u përdorur si lidhje. "Për të provuar konceptin, ne nuk bëmë asnjë formim," thotë Gleiss, "por thjesht futi spacers në një kornizë thelbësore të huallit 3D të shtypur dhe i ngjitëm me zam epoksi. Kjo më pas siguron një mandrel për dredhinë e rezervuarit. " Ajo vëren se megjithëse këto shufra janë relativisht të lehta për tu erë, ka disa probleme domethënëse që do të përshkruhen më vonë.
"Në fazën e parë, qëllimi ynë ishte të demonstronim prodhueshmërinë e dizajnit dhe të identifikojmë problemet në konceptin e prodhimit," shpjegoi Gleiss. "Kështu që tensioni shtrihet nga sipërfaqja e jashtme e strukturës skeletore, dhe ne i bashkojmë fibrat e karbonit në këtë bërthamë duke përdorur dredha -dredha të filamentit të lagësht. Pas kësaj, në hapin e tretë, ne përkulim kokën e secilës shufër kravatë. Termoplastik, kështu që ne thjesht përdorim nxehtësinë për të riformuar kokën në mënyrë që të rrafshohet dhe të kyçet në shtresën e parë të mbështjelljes. Ne pastaj vazhdojmë të mbështjellim përsëri strukturën në mënyrë që koka e shtytjes së sheshtë të mbyllet gjeometrike brenda rezervuarit. Laminat në mure.
Kapak spacer për dredha -dredha. TUM përdor kapele plastike në skajet e shufrave të tensionit për të parandaluar që fibrat të zbuten gjatë dredha -dredha të filamentit. Kredia e imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
GLACE përsëriti se ky rezervuar i parë ishte një provë e konceptit. "Përdorimi i shtypjes 3D dhe zam ishte vetëm për testimin fillestar dhe na dha një ide për disa nga problemet që kemi hasur. Për shembull, gjatë dredha -dredha, filamentet u kapën nga skajet e shufrave të tensionit, duke shkaktuar thyerje të fibrave, dëmtim të fibrave dhe zvogëlimin e sasisë së fibrave për të kundërshtuar këtë. Ne kemi përdorur disa kapele plastike si ndihmat e prodhimit që ishin vendosur në shufra para hapit të parë të dredha -dredha. Pastaj, kur u bënë petëzimet e brendshme, ne i hoqëm këto kapele mbrojtëse dhe riformuluam skajet e poleve para mbështjelljes përfundimtare. "
Ekipi eksperimentoi me skenarë të ndryshëm të rindërtimit. "Ata që shikojnë përreth punojnë më së miri", thotë Grace. “Gjithashtu, gjatë fazës së prototipimit, ne kemi përdorur një mjet të modifikuar të saldimit për të aplikuar nxehtësinë dhe riformuar skajet e shufrës kravatë. Në një koncept të prodhimit masiv, ju do të keni një mjet më të madh që mund të formësojë dhe formojë të gjitha skajet e shiritave në një laminat të mbaruar të brendshëm në të njëjtën kohë. . "
Kokat e shiritit të riformuara. TUM eksperimentoi me koncepte të ndryshme dhe modifikoi saldimet për të lidhur skajet e lidhjeve të përbëra për bashkimin në petëzimin e murit të rezervuarit. Kredia e imazhit: "Zhvillimi i një procesi prodhimi për anijet e presionit kub me Brace", Universiteti Teknik i Mynihut, Projekti Polymers4hidrogjen, ECCM20, Qershor 2022.
Kështu, petëzimi shërohet pas hapit të parë të dredha -dredha, postimet janë riformuar, TUM plotëson dredha -dredhën e dytë të filamenteve, dhe pastaj petëzimi i murit të jashtëm të rezervuarit shërohet për herë të dytë. Ju lutemi vini re se kjo është një dizajn rezervuari i tipit 5, që do të thotë se nuk ka një oxhak plastik si një pengesë gazi. Shihni diskutimin në seksionin e hapave të ardhshëm më poshtë.
"Ne e preu demonstrimin e parë në seksione kryq dhe hartëzuam zonën e lidhur," tha Glace. "Një afërsi tregon se kemi pasur disa çështje të cilësisë me petëzimin, me kokat e strutit që nuk ishin të sheshta në petëzimin e brendshëm."
Zgjidhja e problemeve me boshllëqet midis petëzimit të mureve të brendshme dhe të jashtme të rezervuarit. Koka e modifikuar e shufrës kravatë krijon një hendek midis kthesave të para dhe të dytë të rezervuarit eksperimental. Kredia e imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
Ky rezervuar fillestar 450 x 290 x 80 mm u përfundua verën e kaluar. "Ne kemi bërë shumë përparim që nga ajo kohë, por ne ende kemi një hendek midis petëzimit të brendshëm dhe të jashtëm," tha Glace. "Kështu që ne u përpoqëm t'i mbushnim ato boshllëqe me një rrëshirë të pastër dhe të lartë të viskozitetit. Kjo në të vërtetë përmirëson lidhjen midis studs dhe petëzuar, e cila rrit shumë stresin mekanik. "
Ekipi vazhdoi të zhvillojë hartimin dhe procesin e tankeve, duke përfshirë zgjidhjet për modelin e dëshiruar të dredha -dredha. "Anët e rezervuarit të provës nuk ishin plotësisht të lakuara sepse ishte e vështirë për këtë gjeometri të krijonte një shteg dredha -dredha," shpjegoi Glace. "Këndi ynë fillestar i dredha -dredha ishte 75 °, por ne e dinim që ishin të nevojshme qarqe të shumta për të përmbushur ngarkesën në këtë anije me presion. Ne ende jemi duke kërkuar një zgjidhje për këtë problem, por nuk është e lehtë me softuerin që aktualisht është në treg. Mund të bëhet një projekt vijues.
"Ne kemi demonstruar realizueshmërinë e këtij koncepti të prodhimit," thotë Gleiss, "por ne duhet të punojmë më tej për të përmirësuar lidhjen midis petëzimit dhe riformimit të shufrave kravatë. “Testimi i jashtëm në një makinë testimi. Ju tërheqni spacers nga petëzuar dhe provoni ngarkesat mekanike që ato nyje mund t'i rezistojnë. "
Kjo pjesë e projektit polimer4hidrogjen do të përfundojë në fund të vitit 2023, deri në të cilën kohë Gleis shpreson të plotësojë rezervuarin e dytë të demonstrimit. Shtë interesante, modelet sot përdorin termoplastikë të armuar të zoti në kornizë dhe kompozitat e termoseteve në muret e rezervuarit. A do të përdoret kjo qasje hibride në rezervuarin përfundimtar të demonstrimit? "Po," tha Grace. "Partnerët tanë në projektin polimer4hidrogjen po zhvillojnë rrëshirë epoksi dhe materiale të tjera të matricës së përbërë me veti më të mira të pengesave të hidrogjenit." Ajo rendit dy partnerë që punojnë në këtë punë, PCCL dhe Universiteti i Tampere (Tampere, Finlandë).
Gleiss dhe ekipi i saj shkëmbyen gjithashtu informacione dhe diskutuan ide me Jaeger në projektin e dytë Hydden nga rezervuari i përbërë nga LCC Conformal.
"Ne do të prodhojmë një enë me presion të përbërë konformal për dronët kërkimor," thotë Jaeger. "Ky është një bashkëpunim midis dy departamenteve të departamentit të hapësirës ajrore dhe gjeodetike të TUM - LCC dhe Departamentit të Teknologjisë së Helikopterit (HT). Projekti do të përfundojë deri në fund të vitit 2024 dhe ne aktualisht jemi duke përfunduar anijen e presionit. Një dizajn që është më shumë një qasje hapësinore dhe automobilistike. Pas kësaj faze fillestare të konceptit, hapi tjetër është të kryeni modelim të detajuar strukturor dhe të parashikoni performancën e pengesës së strukturës së murit. "
"E gjithë ideja është të zhvillojmë një dron eksplorues me një qelizë hibride të karburantit dhe sistemin e shtytjes së baterisë," vazhdoi ai. Ai do të përdorë baterinë gjatë ngarkesave të energjisë së lartë (d.m.th. Takeoff dhe ulje) dhe më pas kaloni në qelizën e karburantit gjatë lundrimit të ngarkesës së dritës. "Ekipi HT tashmë kishte një hulumtues të dronit dhe ridizajnoi fuqinë për të përdorur të dy bateritë dhe qelizat e karburantit," tha Yeager. "Ata gjithashtu blenë një rezervuar CGH2 për të provuar këtë transmetim."
"Ekipi im kishte për detyrë të ndërtonte një prototip të rezervuarit të presionit që do të përshtatet, por jo për shkak të çështjeve të paketimit që do të krijonte një rezervuar cilindrik," shpjegon ai. “Një rezervuar më i këndshëm nuk ofron aq rezistencë ndaj erës. Kështu që ju merrni performancë më të mirë të fluturimit. " Dimensionet e rezervuarit përafërsisht. 830 x 350 x 173 mm.
Rezervuar plotësisht në përputhje me AFP termoplastik. Për projektin Hydden, ekipi LCC në TUM fillimisht hulumtoi një qasje të ngjashme me atë të përdorur nga GLACE (lart), por më pas u transferua në një qasje duke përdorur një kombinim të disa moduleve strukturore, të cilat më pas u përdorën duke përdorur AFP (më poshtë). Kredia e imazhit: Universiteti Teknik i Mynihut LCC.
"Një ide është e ngjashme me qasjen e Elisabeth [Gleiss]," thotë Yager, "për të aplikuar frenat e tensionit në murin e anijes për të kompensuar forcat e larta të lakimit. Sidoqoftë, në vend që të përdorim një proces dredha -dredha për të bërë rezervuarin, ne përdorim AFP. Prandaj, ne kemi menduar për krijimin e një pjese të veçantë të enëve të presionit, në të cilën raftet janë integruar tashmë. Kjo qasje më lejoi të kombinoja disa nga këto module të integruara dhe më pas të aplikoja një kapak fundor për të vulosur gjithçka para dredha -dredha përfundimtare të AFP. "
"Ne po mundohemi të finalizojmë një koncept të tillë," vazhdoi ai, "dhe gjithashtu të fillojmë të testojmë zgjedhjen e materialeve, gjë që është shumë e rëndësishme për të siguruar rezistencën e nevojshme ndaj depërtimit të gazit H2. Për këtë, ne kryesisht përdorim materiale termoplastike dhe po punojmë në të ndryshme se si materiali do të ndikojë në këtë sjellje të përshkimit dhe përpunimin në makinën AFP. Shtë e rëndësishme të kuptohet nëse trajtimi do të ketë një efekt dhe nëse kërkohet ndonjë përpunim pas. Ne gjithashtu duam të dimë nëse rafte të ndryshme do të ndikojnë në përshkimin e hidrogjenit përmes enës së presionit. "
Rezervuari do të jetë bërë plotësisht nga termoplastik dhe shiritat do të furnizohen nga Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Gjermani). "Ne do të përdorim PPS -në e tyre [polifenilen sulfid], shikojmë [Keton Polyether] dhe LM Paek [me shkrirje të ulët të ketonit poliarl]," tha Yager. "Krahasimet bëhen më pas për të parë se cila është më e mira për mbrojtjen e depërtimit dhe prodhimin e pjesëve me performancë më të mirë." Ai shpreson të përfundojë modelimin e testimit, strukturës dhe procesit dhe demonstrimet e para brenda vitit të ardhshëm.
Puna hulumtuese u krye brenda modulit të kometës "Polymers4hidrogen" (ID 21647053) brenda programit COMET të Ministrisë Federale për Ndryshimin e Klimës, Mjedisi, Energjia, Mobiliteti, Inovacioni dhe Teknologjia dhe Ministria Federale për Teknologjinë Dixhitale dhe Ekonominë. . Autorët falënderojnë Qendrën e Kompetencave të Polimerit Partners pjesëmarrës Leoben GmbH (PCCL, Austri), Montanunivertaet Leoben (Fakulteti i Inxhinierisë dhe Shkencës së Polimerit, Departamenti i Kimisë së Materialeve Polimer, Departamenti i Shkencave të Materialeve dhe Testimit Polimer), Universiteti i Tampere (Fakulteti i Materialeve Inxhinierike). ) Shkencë), Peak Technology dhe Faurecia kontribuan në këtë punë kërkimore. Comet-Modul është financuar nga Qeveria e Austrisë dhe Qeveria e Shtetit të Styria.
Fletët e parafabrikuara për strukturat që mbajnë ngarkesë përmbajnë fibra të vazhdueshme-jo vetëm nga qelqi, por edhe nga karboni dhe aramidi.
Ka shumë mënyra për të bërë pjesë të përbëra. Prandaj, zgjedhja e metodës për një pjesë të veçantë do të varet nga materiali, hartimi i pjesës dhe përdorimi përfundimtar ose aplikimi. Këtu është një udhëzues përzgjedhjeje.
Kompozitat Shocker dhe R&M International po zhvillojnë një zinxhir të ricikluar të furnizimit me fibër karboni që siguron një masakër zero, kosto më të ulët se fibra e virgjër dhe përfundimisht do të ofrojë gjatësi që i afrohen fibrave të vazhdueshme në vetitë strukturore.
Koha e postimit: Mar-15-2023