Standaard platplatformtenks vir BEV's en FCEV's gebruik termoplastiese en termoherdende komposiete met 'n skeletkonstruksie wat 25% meer H2-berging bied. #waterstof #tendense
Nadat 'n samewerking met BMW getoon het dat 'n kubieke tenk hoër volumetriese doeltreffendheid as veelvuldige klein silinders kan lewer, het die Tegniese Universiteit van München 'n projek aangepak om 'n saamgestelde struktuur en 'n skaalbare vervaardigingsproses vir reeksproduksie te ontwikkel. Beeldkrediet: TU Dresden (bo) links), Tegniese Universiteit van München, Departement Koolstofkomposiete (LCC)
Brandstofsel-elektriese voertuie (FCEV's) wat deur nul-emissie (H2) waterstof aangedryf word, bied bykomende middele om nul-omgewingsteikens te bereik. 'n Brandstofsel-passasiersmotor met 'n H2-enjin kan binne 5-7 minute gevul word en het 'n reikafstand van 500 km, maar is tans duurder as gevolg van lae produksievolumes. Een manier om koste te verminder, is om 'n standaardplatform vir BEV- en FCEV-modelle te gebruik. Dit is tans nie moontlik nie, want die Tipe 4 silindriese tenks wat gebruik word om saamgeperste H2-gas (CGH2) teen 700 bar in FCEV's te stoor, is nie geskik vir die batterykompartemente onder die bakwerk wat noukeurig vir elektriese voertuie ontwerp is nie. Drukvate in die vorm van kussings en blokkies kan egter in hierdie plat verpakkingsruimte pas.
Patent US5577630A vir "Composite Conformal Pressure Vessel", aansoek ingedien deur Thiokol Corp. in 1995 (links) en die reghoekige drukvat gepatenteer deur BMW in 2009 (regs).
Die Departement Koolstofkomposiete (KVK) van die Tegniese Universiteit van München (TUM, München, Duitsland) is betrokke by twee projekte om hierdie konsep te ontwikkel. Die eerste is Polymers4Hydrogen (P4H), gelei deur die Leoben Polimeerkompetensiesentrum (PCCL, Leoben, Oostenryk). Die KVK-werkpakket word gelei deur genoot Elizabeth Glace.
Die tweede projek is die Waterstofdemonstrasie- en Ontwikkelingsomgewing (HyDDen), waar LCC deur navorser Christian Jaeger gelei word. Beide het ten doel om 'n grootskaalse demonstrasie van die vervaardigingsproses te skep vir die maak van 'n geskikte CGH2-tenk met behulp van koolstofvesel-komposiete.
Daar is beperkte volumetriese doeltreffendheid wanneer silinders met klein deursnee in plat batteryselle (links) en kubieke tipe 2-drukvate van staalvoerings en 'n koolstofvesel/epoksi-saamgestelde buitenste dop (regs) geïnstalleer word. Beeldbron: Figure 3 en 6 is uit "Numeriese Ontwerpbenadering vir Tipe II Drukboksvat met Interne Spanningsbene" deur Ruf en Zaremba et al.
P4H het 'n eksperimentele kubustenk vervaardig wat 'n termoplastiese raam met saamgestelde spanningsbande/stutte wat in koolstofveselversterkte epoksie toegedraai is, gebruik. HyDDen sal 'n soortgelyke ontwerp gebruik, maar sal outomatiese veselopleg (AFP) gebruik om alle termoplastiese saamgestelde tenks te vervaardig.
Van 'n patentaansoek deur Thiokol Corp. vir "Composite Conformal Pressure Vessel" in 1995 tot Duitse patent DE19749950C2 in 1997, kan saamgeperste gasvate "enige geometriese konfigurasie hê", maar veral plat en onreëlmatige vorms, in 'n holte wat aan die dopondersteuning gekoppel is. Elemente word gebruik sodat hulle die uitsettingskrag van die gas kan weerstaan.
'n Artikel van die Lawrence Livermore Nasionale Laboratorium (LLNL) in 2006 beskryf drie benaderings: 'n filamentgewikkelde konforme drukvat, 'n mikroroosterdrukvat wat 'n interne ortorombiese roosterstruktuur bevat (klein selle van 2 cm of minder), omring deur 'n dunwandige H2-houer, en 'n replikatorhouer, bestaande uit 'n interne struktuur wat bestaan uit vasgegomde klein dele (bv. seshoekige plastiekringe) en 'n samestelling van dun buitenste dopvel. Duplikaathouers is die beste geskik vir groter houers waar tradisionele metodes moeilik kan wees om toe te pas.
Patent DE102009057170A, ingedien deur Volkswagen in 2009, beskryf 'n voertuiggemonteerde drukvat wat hoë gewigsdoeltreffendheid sal bied terwyl ruimtebenutting verbeter word. Reghoekige tenks gebruik spanningsverbindings tussen twee reghoekige teenoorgestelde wande, en die hoeke is afgerond.
Bogenoemde en ander konsepte word deur Gleiss aangehaal in die artikel "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" deur Gleiss et al. by ECCM20 (26-30 Junie 2022, Lausanne, Switserland). In hierdie artikel haal sy 'n TUM-studie aan wat deur Michael Roof en Sven Zaremba gepubliseer is, wat bevind het dat 'n kubieke drukvat met spanningsstutte wat reghoekige sye verbind, meer doeltreffend is as verskeie klein silinders wat in die ruimte van 'n pap battery pas, wat ongeveer 25% meer stoorplek bied.
Volgens Gleiss is die probleem met die installering van 'n groot aantal klein tipe 4-silinders in 'n plat kas dat "die volume tussen die silinders aansienlik verminder word en die stelsel het ook 'n baie groot H2-gasdeurlaatoppervlak. Oor die algemeen bied die stelsel minder stoorkapasiteit as kubieke flesse."
Daar is egter ander probleme met die tenk se kubieke ontwerp. “Dit is duidelik dat jy, as gevolg van die saamgeperste gas, die buigkragte op die plat wande moet teenwerk,” het Gleiss gesê. “Hiervoor benodig jy 'n versterkte struktuur wat intern aan die wande van die tenk verbind. Maar dit is moeilik om met komposiete te doen.”
Glace en haar span het probeer om versterkende spanningstawe in die drukvat in te sluit op 'n manier wat geskik sou wees vir die filamentwikkelproses. "Dit is belangrik vir hoëvolumeproduksie," verduidelik sy, "en stel ons ook in staat om die wikkelpatroon van die houerwande te ontwerp om die veseloriëntasie vir elke lading in die sone te optimaliseer."
Vier stappe om 'n proefkubieke saamgestelde tenk vir die P4H-projek te maak. Beeldkrediet: "Ontwikkeling van 'n produksieproses vir kubieke drukvate met stutte", Tegniese Universiteit van München, Polymers4Hydrogen-projek, ECCM20, Junie 2022.
Om on-chain te bereik, het die span 'n nuwe konsep ontwikkel wat uit vier hoofstappe bestaan, soos hierbo getoon. Die spanningsstutte, wat in swart op die trappe getoon word, is 'n voorafvervaardigde raamstruktuur wat vervaardig is met behulp van metodes uit die MAI Skelett-projek. Vir hierdie projek het BMW 'n voorruitraam-"raamwerk" ontwikkel met behulp van vier veselversterkte pultrusiestawe, wat toe in 'n plastiekraam gegiet is.
Die raam van 'n eksperimentele kubieke tenk. Seshoekige skeletgedeeltes 3D-gedruk deur TUM met behulp van onversterkte PLA-filament (bo), waar CF/PA6-pultrusiestawe as spanningsversterkers ingevoeg word (middel) en die filament dan om die versterkers gedraai word (onder). Beeldkrediet: Tegniese Universiteit van München LCC.
“Die idee is dat jy die raam van 'n kubieke tenk as 'n modulêre struktuur kan bou,” het Glace gesê. “Hierdie modules word dan in 'n gietgereedskap geplaas, die spanningsstutte word in die raammodules geplaas, en dan word MAI Skelett se metode om die stutte gebruik om dit met die raamdele te integreer.” massaproduksiemetode, wat lei tot 'n struktuur wat dan as 'n doorn of kern gebruik word om die saamgestelde dop van die stoortenk toe te draai.
TUM het die tenk se raam ontwerp as 'n kubieke "kussing" met soliede sye, afgeronde hoeke en 'n seshoekige patroon aan die bo- en onderkant waardeur dasse ingesit en vasgemaak kan word. Die gate vir hierdie rakke is ook 3D-gedruk. "Vir ons aanvanklike eksperimentele tenk het ons seshoekige raamgedeeltes 3D-gedruk met behulp van polimelksuur [PLA, 'n bio-gebaseerde termoplastiek] omdat dit maklik en goedkoop was," het Glace gesê.
Die span het 68 gepultrudeerde koolstofveselversterkte poliamied 6 (PA6) stawe van SGL Carbon (Meitingen, Duitsland) gekoop vir gebruik as verbindingsstukke. “Om die konsep te toets, het ons geen gietwerk gedoen nie,” sê Gleiss, “maar eenvoudig spasieerders in 'n 3D-gedrukte heuningkoekkernraam geplaas en dit met epoksiegom vasgeplak. Dit verskaf dan 'n doorn vir die opwinding van die tenk.” Sy merk op dat hoewel hierdie stawe relatief maklik is om op te wind, daar 'n paar beduidende probleme is wat later beskryf sal word.
“In die eerste fase was ons doel om die vervaardigbaarheid van die ontwerp te demonstreer en probleme in die produksiekonsep te identifiseer,” het Gleiss verduidelik. “Die spanningstutte steek dus uit die buitenste oppervlak van die skeletstruktuur, en ons heg die koolstofvesels aan hierdie kern vas met behulp van nat filamentwikkeling. Daarna, in die derde stap, buig ons die kop van elke trekstang. Termoplasties, so ons gebruik net hitte om die kop te hervorm sodat dit plat word en in die eerste laag omhulsel vassluit. Ons gaan dan voort om die struktuur weer toe te draai sodat die plat drukkop geometries binne die tenk ingesluit is. Laminaat teen die wande.”
Spasieerderdop vir opwinding. TUM gebruik plastiekdoppe aan die punte van die spanningstawe om te verhoed dat die vesels tydens filamentwikkeling verstrengel raak. Beeldkrediet: Tegniese Universiteit van München LCC.
Glace het herhaal dat hierdie eerste tenk 'n bewys van konsep was. “Die gebruik van 3D-drukwerk en gom was slegs vir aanvanklike toetsing en het ons 'n idee gegee van 'n paar van die probleme wat ons teëgekom het. Byvoorbeeld, tydens die opwinding is die filamente vasgevang deur die punte van die spanningstawe, wat veselbreuk en veselskade veroorsaak het en die hoeveelheid vesel verminder het om dit teen te werk. Ons het 'n paar plastiekkappe as vervaardigingshulpmiddels gebruik wat op die pale geplaas is voor die eerste opwindstap. Toe die interne laminate gemaak is, het ons hierdie beskermende kappies verwyder en die punte van die pale hervorm voor die finale toedraai.”
Die span het met verskeie rekonstruksiescenario's geëksperimenteer. “Diegene wat rondkyk, werk die beste,” sê Grace. “Ook, tydens die prototiperingsfase, het ons 'n aangepaste sweisgereedskap gebruik om hitte toe te pas en die dasstawe se punte te hervorm. In 'n massaproduksiekonsep sou jy een groter gereedskap hê wat al die punte van die stutte gelyktydig in 'n binneste afwerkingslaminaat kan vorm en vorm.”
Trekstangkoppe hervorm. TUM het met verskillende konsepte geëksperimenteer en die sweislasse aangepas om die punte van die saamgestelde bande vir bevestiging aan die tenkwandlaminaat in lyn te bring. Beeldkrediet: "Ontwikkeling van 'n produksieproses vir kubieke drukvate met stutte", Tegniese Universiteit van München, Polymers4Hydrogen-projek, ECCM20, Junie 2022.
Dus word die laminaat na die eerste opwindstap gehard, die pale word hervorm, die TUM voltooi die tweede opwinding van die filamente, en dan word die buitenste tenkwandlaminaat 'n tweede keer gehard. Let asseblief daarop dat hierdie 'n tipe 5-tenkontwerp is, wat beteken dat dit nie 'n plastiekvoering as 'n gasversperring het nie. Sien die bespreking in die Volgende Stappe-afdeling hieronder.
“Ons het die eerste demonstrasie in dwarssnitte gesny en die verbonde area gekarteer,” het Glace gesê. “’n Nabyskoot wys dat ons ’n paar kwaliteitsprobleme met die laminaat gehad het, met die stutkoppe wat nie plat op die binnelaminaat gelê het nie.”
Oplossing van probleme met gapings tussen die laminaat van die binneste en buiteste wande van die tenk. Die gewysigde trekstangkop skep 'n gaping tussen die eerste en tweede windings van die eksperimentele tenk. Beeldkrediet: Tegniese Universiteit van München LCC.
Hierdie aanvanklike tenk van 450 x 290 x 80 mm is verlede somer voltooi. “Ons het sedertdien baie vordering gemaak, maar ons het steeds ’n gaping tussen die binne- en buitelaminaat,” het Glace gesê. “Ons het dus probeer om daardie gapings met ’n skoon hars met ’n hoë viskositeit te vul. Dit verbeter eintlik die verbinding tussen die stutte en die laminaat, wat die meganiese spanning aansienlik verhoog.”
Die span het voortgegaan om die tenkontwerp en -proses te ontwikkel, insluitend oplossings vir die verlangde wikkelpatroon. “Die kante van die toetstenk was nie volledig gekrul nie, want dit was moeilik vir hierdie geometrie om 'n wikkelpad te skep,” het Glace verduidelik. “Ons aanvanklike wikkelhoek was 75°, maar ons het geweet dat verskeie stroombane nodig was om die las in hierdie drukvat te hanteer. Ons soek steeds na 'n oplossing vir hierdie probleem, maar dit is nie maklik met die sagteware wat tans op die mark is nie. Dit kan 'n opvolgprojek word.”
“Ons het die uitvoerbaarheid van hierdie produksiekonsep gedemonstreer,” sê Gleiss, “maar ons moet verder werk om die verbinding tussen die laminaat te verbeter en die trekstange te hervorm. Eksterne toetsing op 'n toetsmasjien. Jy trek die spasieerders uit die laminaat en toets die meganiese belastings wat daardie verbindings kan weerstaan.”
Hierdie deel van die Polymers4Hydrogen-projek sal teen die einde van 2023 voltooi wees, teen watter tyd Gleis hoop om die tweede demonstrasietenk te voltooi. Interessant genoeg gebruik ontwerpe vandag netjiese versterkte termoplastieke in die raam en termoherdende komposiete in die tenkwande. Sal hierdie hibriede benadering in die finale demonstrasietenk gebruik word? “Ja,” het Grace gesê. “Ons vennote in die Polymers4Hydrogen-projek ontwikkel epoksieharse en ander saamgestelde matriksmateriale met beter waterstofversperringseienskappe.” Sy lys twee vennote wat aan hierdie werk werk, PCCL en die Universiteit van Tampere (Tampere, Finland).
Gleiss en haar span het ook inligting uitgeruil en idees met Jaeger bespreek oor die tweede HyDDen-projek van die LCC-konforme saamgestelde tenk.
“Ons gaan ’n konforme saamgestelde drukvat vir navorsingsdrone vervaardig,” sê Jaeger. “Dit is ’n samewerking tussen die twee departemente van die Lugvaart- en Geodetiese Departement van TUM – LCC en die Departement Helikoptertegnologie (HT). Die projek sal teen die einde van 2024 voltooi wees en ons is tans besig om die drukvat te voltooi. ’n Ontwerp wat meer van ’n lugvaart- en motorvoertuigbenadering is. Na hierdie aanvanklike konsepfase is die volgende stap om gedetailleerde strukturele modellering uit te voer en die versperringsprestasie van die muurstruktuur te voorspel.”
“Die hele idee is om 'n verkennende hommeltuig met 'n hibriede brandstofsel en battery-aandrywingstelsel te ontwikkel,” het hy voortgegaan. Dit sal die battery tydens hoë kragladings (dws opstyg en landing) gebruik en dan oorskakel na die brandstofsel tydens ligte vragkruising. “Die HT-span het reeds 'n navorsingshommeltuig gehad en die aandrywingstelsel herontwerp om beide batterye en brandstofselle te gebruik,” het Yeager gesê. “Hulle het ook 'n CGH2-tenk gekoop om hierdie transmissie te toets.”
“My span is getaak om 'n prototipe vir 'n druktenk te bou wat sou pas, maar nie as gevolg van die verpakkingsprobleme wat 'n silindriese tenk sou veroorsaak nie,” verduidelik hy. “’n Platter tenk bied nie soveel windweerstand nie. Jy kry dus beter vlugprestasie.” Tenk afmetings ongeveer 830 x 350 x 173 mm.
Tenk wat volledig termoplasties aan AFP-vereistes voldoen. Vir die HyDDen-projek het die LCC-span by TUM aanvanklik 'n soortgelyke benadering as dié wat deur Glace (hierbo) gebruik is, ondersoek, maar toe oorgeskakel na 'n benadering wat 'n kombinasie van verskeie strukturele modules gebruik, wat toe oorbenut is met behulp van AFP (onder). Beeldkrediet: Tegniese Universiteit van München LCC.
“Een idee is soortgelyk aan Elisabeth [Gleiss] se benadering,” sê Yager, “om spanningsverstewigings aan die vatwand toe te pas om te kompenseer vir die hoë buigkragte. In plaas daarvan om 'n wikkelproses te gebruik om die tenk te maak, gebruik ons egter AFP. Daarom het ons daaraan gedink om 'n aparte gedeelte van die drukvat te skep, waarin die rakke reeds geïntegreer is. Hierdie benadering het my toegelaat om verskeie van hierdie geïntegreerde modules te kombineer en dan 'n eindkap aan te bring om alles te verseël voor die finale AFP-wikkeling.”
“Ons probeer om so ’n konsep te finaliseer,” het hy voortgegaan, “en ook om die keuse van materiale te begin toets, wat baie belangrik is om die nodige weerstand teen H2-gaspenetrasie te verseker. Hiervoor gebruik ons hoofsaaklik termoplastiese materiale en werk ons aan verskeie maniere waarop die materiaal hierdie deurlaatgedrag en verwerking in die AFP-masjien sal beïnvloed. Dit is belangrik om te verstaan of die behandeling ’n effek sal hê en of enige naverwerking nodig is. Ons wil ook weet of verskillende stapels waterstofpermeasie deur die drukvat sal beïnvloed.”
Die tenk sal geheel en al van termoplastiek gemaak wees en die stroke sal deur Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Duitsland) verskaf word. “Ons sal hul PPS [polifenileensulfied], PEEK [poliëterketoon] en LM PAEK [lae-smeltende poliarielketoon] materiale gebruik,” het Yager gesê. “Vergelykings word dan gemaak om te sien watter een die beste is vir penetrasiebeskerming en die vervaardiging van onderdele met beter werkverrigting.” Hy hoop om toetsing, strukturele en prosesmodellering en eerste demonstrasies binne die volgende jaar te voltooi.
Die navorsingswerk is uitgevoer binne die COMET-module "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) binne die COMET-program van die Federale Ministerie vir Klimaatsverandering, die Omgewing, Energie, Mobiliteit, Innovasie en Tegnologie en die Federale Ministerie vir Digitale Tegnologie en Ekonomie. Die outeurs bedank die deelnemende vennote Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Oostenryk), Montanuniversitaet Leoben (Fakulteit Polimeeringenieurswese en Wetenskap, Departement Chemie van Polimeermateriale, Departement Materiaalkunde en Polimeertoetsing), Universiteit van Tampere (Fakulteit Ingenieurswesemateriale). Wetenskap), Peak Technology en Faurecia wat tot hierdie navorsingswerk bygedra het. COMET-Modul word befonds deur die regering van Oostenryk en die regering van die staat Stiermarke.
Voorversterkte plate vir lasdraende strukture bevat deurlopende vesels – nie net van glas nie, maar ook van koolstof en aramied.
Daar is baie maniere om saamgestelde onderdele te maak. Daarom sal die keuse van metode vir 'n spesifieke onderdeel afhang van die materiaal, die ontwerp van die onderdeel en die eindgebruik of toepassing. Hier is 'n keuringsgids.
Shocker Composites en R&M International ontwikkel 'n herwinde koolstofvesel-voorsieningsketting wat geen slagting bied nie, laer koste as suiwer vesel bied en uiteindelik lengtes sal bied wat nader aan deurlopende vesel in strukturele eienskappe kom.
Plasingstyd: 15 Maart 2023