Bể nền phẳng tiêu chuẩn dành cho BEV và FCEV sử dụng vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn với cấu trúc khung giúp tăng khả năng lưu trữ H2 thêm 25%. #hydro #xu hướng
Sau khi hợp tác với BMW cho thấy rằng một bình chứa hình khối có thể mang lại hiệu suất thể tích cao hơn nhiều xi-lanh nhỏ, Đại học Kỹ thuật Munich đã bắt tay vào dự án phát triển cấu trúc hỗn hợp và quy trình sản xuất có thể mở rộng để sản xuất hàng loạt. Nguồn hình ảnh: TU Dresden (trên cùng) bên trái), Đại học Kỹ thuật Munich, Khoa Vật liệu tổng hợp Carbon (LCC)
Xe điện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) chạy bằng hydro không phát thải (H2) cung cấp các phương tiện bổ sung để đạt được các mục tiêu về môi trường bằng không. Một chiếc ô tô chở khách chạy pin nhiên liệu với động cơ H2 có thể đổ đầy nhiên liệu trong 5-7 phút và đi được quãng đường 500 km, nhưng hiện đắt hơn do số lượng sản xuất thấp. Một cách để giảm chi phí là sử dụng nền tảng tiêu chuẩn cho các mẫu xe BEV và FCEV. Điều này hiện không thể thực hiện được vì bình hình trụ Loại 4 dùng để chứa khí H2 nén (CGH2) ở áp suất 700 bar trong FCEV không phù hợp với ngăn chứa pin gầm xe đã được thiết kế cẩn thận cho xe điện. Tuy nhiên, bình áp lực ở dạng gối và hình khối có thể vừa với không gian đóng gói phẳng này.
Bằng sáng chế US5577630A cho “Bình áp suất phù hợp tổng hợp”, đơn đăng ký do Thiokol Corp. nộp vào năm 1995 (trái) và bình áp lực hình chữ nhật được BMW cấp bằng sáng chế vào năm 2009 (phải).
Khoa Vật liệu tổng hợp Carbon (LCC) của Đại học Kỹ thuật Munich (TUM, Munich, Đức) đang tham gia vào hai dự án để phát triển khái niệm này. Đầu tiên là Polymers4Hydrogen (P4H), do Trung tâm Năng lực Polymer Leoben (PCCL, Leoben, Áo) đứng đầu. Gói công việc LCC được dẫn dắt bởi Fellow Elizabeth Glace.
Dự án thứ hai là Môi trường Phát triển và Trình diễn Hydro (HyDDen), trong đó LCC do Nhà nghiên cứu Christian Jaeger dẫn đầu. Cả hai đều nhằm mục đích tạo ra một cuộc trình diễn quy mô lớn về quy trình sản xuất để chế tạo xe tăng CGH2 phù hợp bằng vật liệu tổng hợp sợi carbon.
Hiệu suất thể tích bị hạn chế khi các xi lanh có đường kính nhỏ được lắp đặt trong các ngăn pin phẳng (trái) và các bình chịu áp kiểu khối 2 làm bằng lớp lót thép và lớp vỏ ngoài bằng sợi carbon/epoxy composite (phải). Nguồn hình ảnh: Hình 3 và 6 là từ “Phương pháp thiết kế số cho bình hộp áp suất loại II có chân căng bên trong” của Ruf và Zaremba et al.
P4H đã chế tạo một bể hình khối thử nghiệm sử dụng khung nhựa nhiệt dẻo với dây đai/thanh chống căng bằng composite được bọc bằng nhựa epoxy gia cố bằng sợi carbon. HyDDen sẽ sử dụng thiết kế tương tự nhưng sẽ sử dụng công nghệ xếp sợi tự động (AFP) để sản xuất tất cả các bể chứa composite nhựa nhiệt dẻo.
Từ đơn xin cấp bằng sáng chế của Thiokol Corp. cho “Bình chịu áp lực phù hợp composite” năm 1995 đến Bằng sáng chế DE19749950C2 của Đức năm 1997, các bình chứa khí nén “có thể có bất kỳ cấu hình hình học nào”, nhưng đặc biệt là hình dạng phẳng và không đều, trong một khoang được nối với phần đỡ vỏ . các phần tử được sử dụng để chúng có thể chịu được lực giãn nở của khí.
Một bài báo của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) năm 2006 mô tả ba phương pháp tiếp cận: bình chịu áp lực dạng dây tóc, bình áp suất vi mạng chứa cấu trúc mạng tinh thể trực giao bên trong (các tế bào nhỏ từ 2 cm trở xuống), được bao quanh bởi một thùng chứa H2 có thành mỏng, và một thùng chứa bản sao, bao gồm một cấu trúc bên trong bao gồm các bộ phận nhỏ được dán (ví dụ, các vòng nhựa hình lục giác) và thành phần là lớp vỏ mỏng bên ngoài. Các thùng chứa trùng lặp phù hợp nhất cho các thùng chứa lớn hơn, nơi có thể khó áp dụng các phương pháp truyền thống.
Bằng sáng chế DE102009057170A do Volkswagen nộp năm 2009 mô tả một bình chịu áp lực gắn trên xe sẽ mang lại hiệu quả về trọng lượng cao đồng thời cải thiện việc sử dụng không gian. Bể hình chữ nhật sử dụng các thanh nối căng giữa hai bức tường hình chữ nhật đối diện, các góc được bo tròn.
Các khái niệm trên và các khái niệm khác được Gleiss trích dẫn trong bài báo “Phát triển quy trình cho bình áp suất khối có thanh căng” của Gleiss et al. tại ECCM20 (26-30 tháng 6 năm 2022, Lausanne, Thụy Sĩ). Trong bài viết này, cô trích dẫn một nghiên cứu TUM do Michael Roof và Sven Zaremba công bố, phát hiện ra rằng một bình áp suất hình khối có các thanh chống căng nối các cạnh hình chữ nhật sẽ hiệu quả hơn một số hình trụ nhỏ vừa với không gian của một cục pin phẳng, cung cấp khoảng 25 % hơn. không gian lưu trữ.
Theo Gleiss, vấn đề gặp phải khi lắp số lượng lớn xi lanh loại 4 cỡ nhỏ vào thùng phẳng là “thể tích giữa các xi lanh giảm đi rất nhiều và hệ thống cũng có bề mặt thẩm thấu khí H2 rất lớn. Nhìn chung, hệ thống cung cấp dung lượng lưu trữ ít hơn so với lọ hình khối.”
Tuy nhiên, có những vấn đề khác với thiết kế hình khối của xe tăng. Gleiss nói: “Rõ ràng, do khí nén nên bạn cần phải chống lại lực uốn trên các bức tường phẳng. “Để làm được điều này, bạn cần một cấu trúc gia cố kết nối bên trong với thành bể. Nhưng điều đó khó thực hiện được với vật liệu tổng hợp.”
Glace và nhóm của cô đã cố gắng kết hợp các thanh căng gia cố vào bình áp lực theo cách phù hợp với quy trình quấn dây tóc. Cô giải thích: “Điều này rất quan trọng đối với việc sản xuất số lượng lớn và cũng cho phép chúng tôi thiết kế kiểu cuộn của thành thùng chứa để tối ưu hóa hướng sợi cho từng tải trong khu vực”.
Bốn bước chế tạo thử nghiệm bể composite dạng khối cho dự án P4H. Nguồn hình ảnh: “Phát triển quy trình sản xuất bình chịu áp khối có thanh giằng”, Đại học Kỹ thuật Munich, dự án Polymers4Hydrogen, ECCM20, tháng 6 năm 2022.
Để đạt được thành công trên chuỗi, nhóm đã phát triển một khái niệm mới bao gồm bốn bước chính như được trình bày ở trên. Các thanh chống căng, được hiển thị bằng màu đen trên các bậc thang, là cấu trúc khung đúc sẵn được chế tạo bằng các phương pháp lấy từ dự án MAI Skelett. Đối với dự án này, BMW đã phát triển một “khung” khung kính chắn gió bằng cách sử dụng bốn thanh đùn được gia cố bằng sợi, sau đó được đúc thành khung nhựa.
Khung của một bể hình khối thí nghiệm. Các phần xương lục giác được in 3D bởi TUM sử dụng dây tóc PLA không gia cố (trên cùng), chèn các thanh ép đùn CF/PA6 làm nẹp căng (giữa) và sau đó quấn dây tóc quanh các nẹp (phía dưới). Nguồn hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Glace cho biết: “Ý tưởng là bạn có thể xây dựng khung của một bể hình khối như một cấu trúc mô-đun. “Sau đó, các mô-đun này được đặt trong một công cụ đúc, các thanh chống căng được đặt trong các mô-đun khung và sau đó phương pháp của MAI Skelett được sử dụng xung quanh các thanh chống để tích hợp chúng với các bộ phận khung.” phương pháp sản xuất hàng loạt, tạo ra một cấu trúc sau đó được sử dụng làm trục gá hoặc lõi để bọc vỏ composite của bể chứa.
TUM đã thiết kế khung xe tăng như một “đệm” hình khối với các cạnh chắc chắn, các góc được bo tròn và có hoa văn hình lục giác ở mặt trên và mặt dưới để có thể chèn và gắn các dây buộc qua đó. Các lỗ cho những giá đỡ này cũng được in 3D. Glace cho biết: “Đối với bể thử nghiệm ban đầu của chúng tôi, chúng tôi đã in 3D các phần khung hình lục giác bằng axit polylactic [PLA, một loại nhựa nhiệt dẻo sinh học] vì nó dễ dàng và rẻ tiền”.
Nhóm đã mua 68 thanh polyamide 6 (PA6) được gia cố bằng sợi carbon từ SGL Carbon (Meitingen, Đức) để sử dụng làm dây buộc. Gleiss cho biết: “Để kiểm tra ý tưởng này, chúng tôi không thực hiện bất kỳ khuôn đúc nào mà chỉ chèn các miếng đệm vào khung lõi tổ ong in 3D và dán chúng bằng keo epoxy. Điều này sau đó cung cấp một trục gá để cuộn dây cho bình.” Cô lưu ý rằng mặc dù những thanh này tương đối dễ quấn nhưng có một số vấn đề quan trọng sẽ được mô tả sau.
Gleiss giải thích: “Ở giai đoạn đầu tiên, mục tiêu của chúng tôi là chứng minh khả năng sản xuất của thiết kế và xác định các vấn đề trong ý tưởng sản xuất”. “Vì vậy, các thanh chống căng nhô ra khỏi bề mặt bên ngoài của cấu trúc khung xương và chúng tôi gắn các sợi carbon vào lõi này bằng cách sử dụng cuộn dây tóc ướt. Sau đó, ở bước thứ ba, chúng ta uốn cong đầu mỗi thanh giằng. nhựa nhiệt dẻo nên chúng tôi chỉ dùng nhiệt để định hình lại phần đầu sao cho nó dẹt và khóa vào lớp bọc đầu tiên. Sau đó, chúng tôi tiến hành bọc cấu trúc một lần nữa để đầu đẩy phẳng được bao bọc về mặt hình học bên trong bể. laminate trên tường.
Nắp đệm để cuộn dây. TUM sử dụng nắp nhựa ở hai đầu thanh căng để ngăn các sợi bị rối trong quá trình quấn dây tóc. Nguồn hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Glace nhắc lại rằng chiếc xe tăng đầu tiên này là một bằng chứng về khái niệm. “Việc sử dụng in 3D và keo chỉ nhằm mục đích thử nghiệm ban đầu và cho chúng tôi ý tưởng về một số vấn đề mà chúng tôi gặp phải. Ví dụ, trong quá trình quấn dây, các sợi bị kẹt vào các đầu của thanh căng, gây đứt sợi, hư hỏng sợi và làm giảm lượng sợi để khắc phục điều này. chúng tôi đã sử dụng một số nắp nhựa làm dụng cụ hỗ trợ sản xuất được đặt trên các cột trước bước quấn dây đầu tiên. Sau đó, khi chế tạo các lớp mỏng bên trong, chúng tôi tháo các nắp bảo vệ này ra và định hình lại các đầu của cột trước khi bọc lần cuối.”
Nhóm đã thử nghiệm nhiều kịch bản tái thiết khác nhau. Grace nói: “Những người nhìn xung quanh làm việc tốt nhất. “Ngoài ra, trong giai đoạn tạo mẫu, chúng tôi đã sử dụng một công cụ hàn đã được cải tiến để tạo nhiệt và định hình lại các đầu thanh giằng. Trong mô hình sản xuất hàng loạt, bạn sẽ có một công cụ lớn hơn có thể định hình và tạo hình tất cả các đầu của thanh chống thành lớp cán mỏng hoàn thiện nội thất cùng một lúc. . ”
Đầu thanh kéo được định hình lại. TUM đã thử nghiệm các khái niệm khác nhau và sửa đổi các mối hàn để căn chỉnh các đầu của dây buộc composite để gắn vào tấm laminate thành bể. Nguồn hình ảnh: “Phát triển quy trình sản xuất bình chịu áp khối có thanh giằng”, Đại học Kỹ thuật Munich, dự án Polymers4Hydrogen, ECCM20, tháng 6 năm 2022.
Do đó, tấm laminate được xử lý sau bước quấn đầu tiên, các trụ được định hình lại, TUM hoàn thành lần quấn sợi thứ hai và sau đó tấm laminate thành bể ngoài được xử lý lần thứ hai. Xin lưu ý rằng đây là thiết kế bể loại 5, có nghĩa là nó không có lớp lót nhựa làm lớp chắn khí. Xem cuộc thảo luận trong phần Các bước tiếp theo bên dưới.
Glace cho biết: “Chúng tôi cắt bản demo đầu tiên thành các mặt cắt ngang và lập bản đồ khu vực được kết nối”. “Nhìn cận cảnh cho thấy chúng tôi gặp một số vấn đề về chất lượng với tấm laminate, với các đầu thanh chống không nằm phẳng trên tấm laminate bên trong.”
Giải quyết các vấn đề về khoảng trống giữa tấm laminate của thành trong và ngoài của bể. Đầu thanh giằng được cải tiến tạo ra khe hở giữa vòng quay thứ nhất và thứ hai của bể thí nghiệm. Nguồn hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Chiếc xe tăng 450 x 290 x 80mm ban đầu này đã được hoàn thành vào mùa hè năm ngoái. Glace nói: “Chúng tôi đã đạt được nhiều tiến bộ kể từ đó, nhưng chúng tôi vẫn còn khoảng cách giữa tấm laminate bên trong và bên ngoài”. “Vì vậy, chúng tôi đã cố gắng lấp đầy những khoảng trống đó bằng một loại nhựa sạch, có độ nhớt cao. Điều này thực sự cải thiện sự kết nối giữa các đinh tán và tấm laminate, làm tăng đáng kể ứng suất cơ học.”
Nhóm tiếp tục phát triển quy trình và thiết kế thùng chứa, bao gồm các giải pháp cho kiểu cuộn dây mong muốn. Glace giải thích: “Các cạnh của bể thử nghiệm không được uốn cong hoàn toàn vì hình dạng này khó tạo ra đường uốn lượn”. “Góc quấn ban đầu của chúng tôi là 75°, nhưng chúng tôi biết rằng cần có nhiều mạch điện để đáp ứng tải trọng trong bình áp suất này. Chúng tôi vẫn đang tìm kiếm giải pháp cho vấn đề này nhưng điều đó không hề dễ dàng với phần mềm hiện có trên thị trường. Nó có thể trở thành một dự án tiếp theo.
Gleiss cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh tính khả thi của ý tưởng sản xuất này, nhưng chúng tôi cần phải nỗ lực hơn nữa để cải thiện sự kết nối giữa tấm cán mỏng và định hình lại các thanh giằng. “Thử nghiệm bên ngoài trên máy thử nghiệm. Bạn kéo các miếng đệm ra khỏi tấm gỗ và kiểm tra tải trọng cơ học mà các khớp đó có thể chịu được.”
Phần này của dự án Polymers4Hydrogen sẽ được hoàn thành vào cuối năm 2023, thời điểm đó Gleis hy vọng sẽ hoàn thành chiếc xe tăng trình diễn thứ hai. Điều thú vị là các thiết kế ngày nay sử dụng nhựa nhiệt dẻo được gia cố gọn gàng trong khung và vật liệu tổng hợp nhiệt rắn ở thành bể. Liệu phương pháp kết hợp này có được sử dụng trong xe tăng trình diễn cuối cùng không? “Ừ,” Grace nói. “Các đối tác của chúng tôi trong dự án Polymers4Hydrogen đang phát triển nhựa epoxy và các vật liệu ma trận tổng hợp khác có đặc tính ngăn chặn hydro tốt hơn.” Cô liệt kê hai đối tác đang thực hiện công việc này là PCCL và Đại học Tampere (Tampere, Phần Lan).
Gleiss và nhóm của cô cũng trao đổi thông tin và thảo luận các ý tưởng với Jaeger về dự án HyDDen thứ hai từ xe tăng composite phù hợp LCC.
Jaeger cho biết: “Chúng tôi sẽ sản xuất một bình chịu áp lực tổng hợp phù hợp cho máy bay không người lái nghiên cứu”. “Đây là sự hợp tác giữa hai bộ phận thuộc Khoa Hàng không và Trắc địa của TUM – LCC và Khoa Công nghệ Trực thăng (HT). Dự án sẽ hoàn thành vào cuối năm 2024 và hiện chúng tôi đang hoàn thiện bình áp lực. một thiết kế thiên về cách tiếp cận hàng không vũ trụ và ô tô. Sau giai đoạn ý tưởng ban đầu này, bước tiếp theo là thực hiện mô hình hóa cấu trúc chi tiết và dự đoán hiệu suất rào cản của cấu trúc tường.”
Ông tiếp tục: “Toàn bộ ý tưởng là phát triển một máy bay không người lái thăm dò với hệ thống động cơ pin và pin nhiên liệu lai. Nó sẽ sử dụng pin khi tải năng lượng cao (tức là cất cánh và hạ cánh) và sau đó chuyển sang sử dụng pin nhiên liệu khi di chuyển với tải nhẹ. Yeager cho biết: “Nhóm HT đã có một máy bay không người lái nghiên cứu và thiết kế lại hệ thống truyền động để sử dụng cả pin và pin nhiên liệu. “Họ cũng mua một chiếc xe tăng CGH2 để thử nghiệm hệ truyền động này.”
Anh giải thích: “Nhóm của tôi được giao nhiệm vụ chế tạo một nguyên mẫu bình áp lực phù hợp nhưng không phải do các vấn đề về đóng gói mà bình hình trụ sẽ tạo ra”. “Một chiếc thùng phẳng hơn không có khả năng cản gió nhiều. Vì vậy, bạn sẽ có được hiệu suất bay tốt hơn.” Kích thước bể khoảng. 830x350x173mm.
Bể tuân thủ AFP hoàn toàn bằng nhựa nhiệt dẻo. Đối với dự án HyDDen, nhóm LCC tại TUM ban đầu khám phá một phương pháp tiếp cận tương tự như phương pháp được Glace sử dụng (ở trên), nhưng sau đó chuyển sang phương pháp sử dụng kết hợp một số mô-đun cấu trúc, sau đó bị lạm dụng bằng cách sử dụng AFP (bên dưới). Nguồn hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Yager nói: “Một ý tưởng tương tự như cách tiếp cận của Elisabeth [Gleiss] là áp dụng các thanh giằng căng vào thành bình để bù đắp cho lực uốn cao. Tuy nhiên, thay vì sử dụng quy trình quấn dây để chế tạo bình chứa, chúng tôi sử dụng AFP. Do đó, chúng tôi đã nghĩ đến việc tạo ra một phần riêng biệt của bình chịu áp lực, trong đó các giá đỡ đã được tích hợp sẵn. Cách tiếp cận này cho phép tôi kết hợp một số mô-đun tích hợp này và sau đó áp dụng nắp cuối để bịt kín mọi thứ trước cuộn dây AFP cuối cùng.”
Ông tiếp tục: “Chúng tôi đang cố gắng hoàn thiện ý tưởng như vậy và cũng bắt đầu thử nghiệm việc lựa chọn vật liệu, điều này rất quan trọng để đảm bảo khả năng chống lại sự xâm nhập của khí H2 cần thiết. Để làm được điều này, chúng tôi chủ yếu sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo và đang nghiên cứu xem vật liệu này sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động thẩm thấu và xử lý trong máy AFP. Điều quan trọng là phải hiểu liệu việc điều trị có hiệu quả hay không và có cần thực hiện bất kỳ bước xử lý hậu kỳ nào hay không. Chúng tôi cũng muốn biết liệu các ống khói khác nhau có ảnh hưởng đến sự thẩm thấu hydro qua bình áp suất hay không.”
Bể chứa sẽ được làm hoàn toàn bằng nhựa nhiệt dẻo và các dải sẽ được cung cấp bởi Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Đức). Yager cho biết: “Chúng tôi sẽ sử dụng vật liệu PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polyether ketone] và LM PAEK [polyaryl ketone] có độ nóng chảy thấp. “Sau đó, các so sánh được thực hiện để xem cái nào là tốt nhất để bảo vệ sự xuyên thấu và tạo ra các bộ phận có hiệu suất tốt hơn.” Ông hy vọng sẽ hoàn thành thử nghiệm, mô hình hóa cấu trúc và quy trình cũng như các cuộc trình diễn đầu tiên trong năm tới.
Công việc nghiên cứu được thực hiện trong mô-đun COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) trong chương trình COMET của Bộ Liên bang về Biến đổi Khí hậu, Môi trường, Năng lượng, Di động, Đổi mới và Công nghệ và Bộ Kinh tế và Công nghệ Kỹ thuật số Liên bang. . Các tác giả cảm ơn các đối tác tham gia Trung tâm Năng lực Polymer Leoben GmbH (PCCL, Áo), Montanuniversitaet Leoben (Khoa Khoa học và Kỹ thuật Polymer, Khoa Hóa học Vật liệu Polymer, Khoa Khoa học Vật liệu và Thử nghiệm Polymer), Đại học Tampere (Khoa Kỹ thuật) Nguyên vật liệu). ) Khoa học), Peak Technology và Faurecia đã đóng góp cho công trình nghiên cứu này. COMET-Modul được tài trợ bởi chính phủ Áo và chính phủ bang Styria.
Tấm gia cố trước dành cho kết cấu chịu lực chứa các sợi liên tục – không chỉ từ thủy tinh mà còn từ carbon và aramid.
Có nhiều cách để tạo ra các bộ phận composite. Do đó, việc lựa chọn phương pháp cho một bộ phận cụ thể sẽ phụ thuộc vào vật liệu, thiết kế của bộ phận đó và mục đích sử dụng hoặc ứng dụng cuối cùng. Dưới đây là hướng dẫn lựa chọn.
Shocker Composites và R&M International đang phát triển chuỗi cung ứng sợi carbon tái chế không giết mổ, chi phí thấp hơn so với sợi nguyên chất và cuối cùng sẽ cung cấp độ dài gần bằng sợi liên tục về đặc tính cấu trúc.
Thời gian đăng: Mar-15-2023