У стандартних баках з плоскою платформою для BEV і FCEV використовуються термопластичні та термореактивні композити з каркасною конструкцією, яка забезпечує на 25% більше зберігання H2. #водневі #тенденції
Після того, як співпраця з BMW показала, що кубічний бак може забезпечити вищу об’ємну ефективність, ніж кілька малих циліндрів, Технічний університет Мюнхена розпочав проект із розробки композитної структури та масштабованого виробничого процесу для серійного виробництва. Автор зображення: TU Dresden (угорі) ліворуч), Мюнхенський технічний університет, кафедра вуглецевих композитів (LCC)
Електромобілі на паливних елементах (FCEV), що працюють на водні з нульовим рівнем викидів (H2), забезпечують додаткові засоби для досягнення нульових екологічних цілей. Легковий автомобіль на паливних елементах із двигуном H2 заправляється за 5-7 хвилин і має запас ходу 500 км, але зараз коштує дорожче через низькі обсяги виробництва. Одним із способів скорочення витрат є використання стандартної платформи для моделей BEV і FCEV. Наразі це неможливо, оскільки циліндричні резервуари типу 4, які використовуються для зберігання стисненого газу H2 (CGH2) під тиском 700 бар у FCEV, не підходять для батарейних відсіків у днищі, які були ретельно розроблені для електромобілів. Однак посудини під тиском у формі подушок і кубів можуть поміститися в цей плоский пакувальний простір.
Патент US5577630A на «Композитну конформну посудину під тиском», заявку, подану компанією Thiokol Corp. у 1995 році (ліворуч), і прямокутну посудину під тиском, запатентовану BMW у 2009 році (праворуч).
Відділ вуглецевих композитів (LCC) Мюнхенського технічного університету (TUM, Мюнхен, Німеччина) бере участь у двох проектах з розробки цієї концепції. Перший — Polymers4Hydrogen (P4H), який очолює Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Леобен, Австрія). Пакет робіт LCC очолює колега Елізабет Глейс.
Другий проект — Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), де LCC очолює дослідник Крістіан Джегер. Обидва мають на меті створити широкомасштабну демонстрацію виробничого процесу для виготовлення відповідного резервуара CGH2 з використанням композитів з вуглецевого волокна.
Існує обмежена об’ємна ефективність, коли циліндри малого діаметра встановлені в плоских акумуляторних елементах (ліворуч) і кубічних резервуарах під тиском типу 2, виготовлених зі сталевих вкладишів і зовнішньої оболонки з вуглецевого волокна/епоксидного композиту (праворуч). Джерело зображення: малюнки 3 і 6 взято з «Підходу чисельного проектування для резервуара типу II з камерою тиску з опорами внутрішнього натягу» Руфа та Заремби та ін.
Компанія P4H виготовила експериментальний кубічний резервуар, який використовує термопластичну раму з композитними натяжними ременями/розпірками, загорнутими в епоксидну смолу, зміцнену вуглецевим волокном. HyDDen використовуватиме подібну конструкцію, але використовуватиме автоматичне укладання волокон (AFP) для виробництва всіх термопластичних композитних резервуарів.
Від патентної заявки Thiokol Corp. на «Композитну конформну посудину під тиском» у 1995 році до німецького патенту DE19749950C2 у 1997 році, посудини зі стисненим газом «можуть мати будь-яку геометричну конфігурацію», але особливо плоску та неправильну форму, у порожнині, з’єднаній з опорою корпусу. . елементи використовуються так, щоб вони могли протистояти силі розширення газу.
У документі Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (LLNL) 2006 року описано три підходи: конформна ємність під тиском, намотана ниткою, мікрорешітчаста ємність під тиском, що містить внутрішню орторомбічну ґратчасту структуру (малі комірки 2 см або менше), оточену тонкостінним контейнером H2, і контейнер-реплікатор, що складається з внутрішньої структури, що складається зі склеєних невеликих частин (наприклад, шестикутних пластикових кілець) і складу тонкої зовнішньої оболонки оболонки. Контейнери-дублікати найкраще підходять для великих контейнерів, де традиційні методи важко застосувати.
Патент DE102009057170A, поданий компанією Volkswagen у 2009 році, описує встановлений на транспортному засобі резервуар під тиском, який забезпечить високу ефективність ваги, покращуючи використання простору. У прямокутних резервуарах використовуються з’єднувачі натягу між двома прямокутними протилежними стінками, а кути закруглені.
Вищевказані та інші концепції цитуються Глейсом у статті «Розробка процесу для кубічних посудин під тиском із розтяжними стержнями» Глейса та ін. на ECCM20 (26-30 червня 2022 р., Лозанна, Швейцарія). У цій статті вона цитує дослідження TUM, опубліковане Майклом Руфом і Свеном Зарембою, яке виявило, що кубічний резервуар під тиском із натяжними опорами, що з’єднують прямокутні сторони, є більш ефективним, ніж кілька маленьких циліндрів, які вміщуються в простір плоскої батареї, забезпечуючи приблизно 25 % більше. місце для зберігання.
За словами Глейса, проблема встановлення великої кількості маленьких циліндрів типу 4 у пласкому корпусі полягає в тому, що «об’єм між циліндрами значно зменшується, а система також має дуже велику поверхню проникнення газу H2. Загалом система забезпечує менший обсяг зберігання, ніж кубічні банки».
Однак є й інші проблеми кубічної конструкції танка. «Очевидно, що через стиснений газ потрібно протидіяти силам вигину на плоских стінках», — сказав Глейс. «Для цього вам потрібна посилена конструкція, яка всередині з’єднується зі стінками резервуара. Але це важко зробити з композитами».
Глейс та її команда намагалися вставити арматурні стрижні в резервуар під тиском таким чином, щоб це було придатним для процесу намотування нитки. «Це важливо для великого обсягу виробництва, — пояснює вона, — а також дозволяє нам спроектувати звивистий малюнок стінок контейнера, щоб оптимізувати орієнтацію волокон для кожного завантаження в зоні».
Чотири кроки для виготовлення пробного кубічного композитного резервуару для проекту P4H. Кредит зображення: «Розробка виробничого процесу для кубічних посудин під тиском із скобою», Мюнхенський технічний університет, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, червень 2022 р.
Щоб досягти on-chain, команда розробила нову концепцію, яка складається з чотирьох основних кроків, як показано вище. Натяжні стійки, показані чорним кольором на сходах, являють собою збірну каркасну конструкцію, виготовлену за методами, взятими з проекту MAI Skelett. Для цього проекту BMW розробила «каркас» рами лобового скла, використовуючи чотири армовані волокном пултрузійні стрижні, які потім були відлиті в пластикову раму.
Каркас експериментального кубічного танка. Шестикутні скелетні секції, надруковані TUM 3D з використанням неармованої нитки PLA (угорі), вставляючи пултрузійні стрижні CF/PA6 як розтяжні скоби (посередині), а потім обмотуючи нитку навколо дужок (внизу). Автор зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
«Ідея полягає в тому, що ви можете побудувати каркас кубічного резервуара як модульну структуру», — сказав Глейс. «Потім ці модулі поміщаються в формувальний інструмент, натяжні стійки поміщаються в рамні модулі, а потім використовується метод MAI Skelett навколо стійок, щоб інтегрувати їх із частинами рами». метод масового виробництва, в результаті чого створюється конструкція, яка потім використовується як оправка або сердечник для обгортання композитної оболонки резервуара для зберігання.
TUM розробив раму резервуара як кубічну «подушку» з суцільними сторонами, закругленими кутами та шестикутним малюнком у верхній і нижній частині, через які можна вставляти та прикріплювати стяжки. Отвори для цих стійок також були надруковані на 3D. «Для нашого початкового експериментального резервуара ми надрукували шестикутні каркасні секції на 3D, використовуючи полімолочну кислоту [PLA, біотермопластик], тому що це було легко та дешево», — сказав Глейс.
Команда придбала 68 стрижнів з поліаміду 6 (PA6), армованих пултрузійним вуглецевим волокном, у SGL Carbon (Мейтінген, Німеччина) для використання в якості зв’язків. «Щоб перевірити концепцію, ми не робили жодного формування, — каже Глейсс, — а просто вставили прокладки в надруковану на 3D стільникову раму та склеїли їх епоксидним клеєм. Потім це забезпечує оправку для намотування бака». Вона зазначає, що хоча ці вудилища відносно легко змотувати, є деякі значні проблеми, які будуть описані пізніше.
«На першому етапі нашою метою було продемонструвати технологічність конструкції та виявити проблеми в концепції виробництва», — пояснив Глейс. «Отже, натяжні стійки виступають із зовнішньої поверхні скелетної конструкції, і ми прикріплюємо вуглецеві волокна до цього сердечника за допомогою мокрого намотування нитки. Після цього на третьому кроці згинаємо головку кожної тяги. термопластичний, тому ми просто використовуємо тепло, щоб змінити форму голови так, щоб вона розплющилася та зафіксувалася в першому шарі обгортки. Потім ми знову загортаємо конструкцію так, щоб плоска натискна головка була геометрично закрита в резервуарі. ламінат на стінах.
Розпірна кришка для намотування. TUM використовує пластикові кришки на кінцях натяжних стрижнів, щоб запобігти сплутуванню волокон під час намотування нитки. Автор зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
Глейс повторив, що цей перший танк був доказом концепції. «Використання 3D-друку та клею було лише для початкового тестування та дало нам уявлення про деякі проблеми, з якими ми зіткнулися. Наприклад, під час намотування нитки були захоплені кінцями натяжних стрижнів, викликаючи розрив волокна, пошкодження волокна та зменшення кількості волокна, щоб протистояти цьому. ми використали кілька пластикових ковпачків як допоміжних засобів для виробництва, які були розміщені на стовпах перед першим кроком намотування. Потім, коли внутрішні ламінати були виготовлені, ми зняли ці захисні ковпачки та змінили форму кінців стовпів перед остаточним загортанням».
Команда експериментувала з різними сценаріями реконструкції. «Найкраще працюють ті, хто дивиться навколо», — каже Грейс. «Крім того, на етапі створення прототипу ми використовували модифікований зварювальний інструмент, щоб нагріти та змінити форму кінців рульових тяг. У концепції масового виробництва ви матимете один більший інструмент, який може формувати та формувати всі кінці стійок у внутрішній ламінат одночасно. . »
Головки дишла змінені. TUM експериментував з різними концепціями та модифікував зварні шви, щоб вирівняти кінці композитних зв’язків для кріплення до ламінату стінки бака. Кредит зображення: «Розробка виробничого процесу для кубічних посудин під тиском із скобою», Мюнхенський технічний університет, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, червень 2022 р.
Таким чином, ламінат затверджується після першого етапу намотування, штифти змінюють форму, TUM завершує друге намотування ниток, а потім ламінат зовнішньої стінки резервуара затверджується вдруге. Зверніть увагу, що це конструкція бака типу 5, що означає, що він не має пластикового вкладиша як газового бар’єру. Дивіться обговорення в розділі «Наступні кроки» нижче.
«Ми розрізали першу демонстрацію на поперечні секції та нанесли на карту пов’язану область», — сказав Глейс. «Крупний план показує, що у нас були деякі проблеми з якістю ламінату, головки опор не лежали рівно на внутрішньому ламінаті».
Вирішення проблем із зазорами між ламінатом внутрішньої та зовнішньої стінок бака. Модифікована головка рульової тяги створює зазор між першим і другим витками експериментального бака. Автор зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
Цей початковий танк розміром 450 x 290 x 80 мм був завершений минулого літа. «Відтоді ми досягли значного прогресу, але у нас все ще є розрив між внутрішнім і зовнішнім ламінатом», — сказав Глейс. «Тож ми спробували заповнити ці прогалини чистою смолою з високою в’язкістю. Це фактично покращує з’єднання між шпильками та ламінатом, що значно збільшує механічне навантаження».
Команда продовжувала розробляти конструкцію резервуара та процес, включаючи рішення для бажаної схеми намотування. «Бічні сторони випробувального резервуара не були повністю закручені, тому що для такої геометрії було важко створити звивистий шлях», — пояснив Глейс. «Наш початковий кут намотування становив 75°, але ми знали, що для задоволення навантаження в цьому резервуарі під тиском потрібні кілька контурів. Ми все ще шукаємо рішення цієї проблеми, але це непросто з програмним забезпеченням, яке зараз є на ринку. Це може стати наступним проектом.
«Ми продемонстрували здійсненність цієї виробничої концепції, — каже Глейс, — але нам потрібно працювати далі, щоб покращити з’єднання між ламінатом і змінити форму стяжних тяг. «ЗНО на тестовій машині. Ви виймаєте розпірки з ламінату і перевіряєте механічні навантаження, які можуть витримати ці з’єднання».
Ця частина проекту Polymers4Hydrogen буде завершена в кінці 2023 року, до цього часу Gleis сподівається завершити другий демонстраційний танк. Цікаво, що сьогодні в конструкціях використовуються акуратні армовані термопластики в каркасі та термореактивні композити в стінках бака. Чи буде цей гібридний підхід використано в остаточному демонстраційному танку? — Так, — сказала Грейс. «Наші партнери в проекті Polymers4Hydrogen розробляють епоксидні смоли та інші композиційні матричні матеріали з кращими властивостями захисту від водню». Вона перелічує двох партнерів, які працюють над цією роботою, PCCL та Університет Тампере (Тампере, Фінляндія).
Глейс та її команда також обмінювалися інформацією та обговорювали ідеї з Джегером щодо другого проекту HyDDen з конформного композитного бака LCC.
«Ми будемо виробляти конформний композитний резервуар під тиском для дослідницьких безпілотників», — каже Джегер. «Це співпраця між двома відділами аерокосмічного та геодезичного факультету TUM – LCC та відділом гелікоптерних технологій (HT). Проект буде завершено до кінця 2024 року, і зараз ми добудовуємо резервуар під тиском. дизайн, який більше схожий на аерокосмічний та автомобільний підхід. Після цього етапу початкової концепції наступним кроком є виконання детального структурного моделювання та прогнозування бар’єрних характеристик конструкції стіни».
«Вся ідея полягає в тому, щоб розробити дослідницький безпілотник із гібридною силовою системою на паливних елементах і батареях», — продовжив він. Він використовуватиме батарею під час великих навантажень (тобто зльоту та посадки), а потім перемикатиметься на паливний елемент під час крейсерського руху з невеликим навантаженням. «Команда HT вже мала дослідницький безпілотник і переробила трансмісію, щоб використовувати як батареї, так і паливні елементи», — сказав Єгер. «Вони також придбали бак CGH2, щоб перевірити цю трансмісію».
«Моїй команді було доручено побудувати прототип резервуара під тиском, який би підходив, але не через проблеми з упаковкою, які створить циліндричний резервуар», — пояснює він. «Більш плоский танк не забезпечує такого сильного опору вітру. Тож ви отримуєте кращі польотні характеристики». Розміри бака прибл. 830 x 350 x 173 мм.
Повністю термопластичний резервуар, сумісний з AFP. Для проекту HyDDen команда LCC у TUM спочатку досліджувала підхід, подібний до того, який використовував Glace (вище), але потім перейшла до підходу, що використовує комбінацію кількох структурних модулів, які потім були надмірно використані з використанням AFP (нижче). Автор зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
«Одна з ідей подібна до підходу Елізабет [Глейс], — каже Ягер, — застосувати розтягувальні скоби до стінки судини, щоб компенсувати високі сили згинання. Однак замість використання процесу намотування для виготовлення бака ми використовуємо AFP. Тому ми подумали про те, щоб створити окрему секцію ємності, в яку вже вбудовані стійки. Цей підхід дозволив мені об’єднати декілька з цих інтегрованих модулів, а потім застосувати торцеву кришку, щоб ущільнити все перед остаточною обмоткою AFP».
«Ми намагаємося завершити таку концепцію, — продовжив він, — а також розпочати тестування вибору матеріалів, що дуже важливо для забезпечення необхідного опору проникненню газу H2. Для цього ми в основному використовуємо термопластичні матеріали та працюємо над тим, як матеріал вплине на цю поведінку проникнення та обробку в машині AFP. Важливо розуміти, чи дасть лікування ефект і чи потрібна додаткова обробка. Ми також хочемо знати, чи впливатимуть різні стеки на проникнення водню через резервуар високого тиску».
Резервуар буде повністю виготовлений з термопластику, а стрічки будуть поставлені компанією Teijin Carbon Europe GmbH (Вупперталь, Німеччина). «Ми будемо використовувати їхні матеріали PPS [поліфеніленсульфід], PEEK [поліефіркетон] і LM PAEK [поліарилкетон з низькою температурою плавлення], — сказав Ягер. «Потім проводяться порівняння, щоб визначити, який із них найкращий для захисту від проникнення та виробництва деталей із кращими характеристиками». Він сподівається завершити тестування, структурне та процесне моделювання та перші демонстрації протягом наступного року.
Дослідження проводилися в рамках модуля COMET «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) в рамках програми COMET Федерального міністерства зі зміни клімату, навколишнього середовища, енергетики, мобільності, інновацій та технологій та Федерального міністерства цифрових технологій та економіки. . Автори дякують партнерам-учасникам Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Австрія), Montanuniversitaet Leoben (факультет полімерної техніки та науки, кафедра хімії полімерних матеріалів, кафедра матеріалознавства та випробування полімерів), Університет Тампере (факультет інженерії) Матеріали). ) Science), Peak Technology і Faurecia зробили внесок у цю дослідницьку роботу. COMET-Modul фінансується урядом Австрії та урядом землі Штирія.
Попередньо армовані листи для несучих конструкцій містять безперервні волокна – не тільки зі скла, а й з вуглецю та араміду.
Існує багато способів виготовлення композиційних деталей. Тому вибір методу для конкретної деталі залежатиме від матеріалу, конструкції деталі та кінцевого використання чи застосування. Ось інструкція з вибору.
Shocker Composites і R&M International розробляють ланцюжок поставок переробленого вуглецевого волокна, який забезпечує нульовий забій, нижчу вартість, ніж волокно первинного виробництва, і з часом запропонує довжину, яка наближається до безперервного волокна за структурними властивостями.
Час публікації: 15 березня 2023 р