BEV və FCEV üçün standart düz platformalı çənlər, 25% daha çox H2 saxlama təmin edən skelet konstruksiyasına malik termoplastik və termoset kompozitlərindən istifadə edir. #hidrogen #trendləri
BMW ilə əməkdaşlıq kubik çənin çoxsaylı kiçik silindrlərdən daha yüksək həcm səmərəliliyi təmin edə biləcəyini göstərdikdən sonra, Münhen Texniki Universiteti kompozit struktur və seriyalı istehsal üçün miqyaslana bilən istehsal prosesi hazırlamaq layihəsinə başladı. Şəkil müəllifi: TU Dresden (yuxarıda), Münhen Texniki Universiteti, Karbon Kompozitləri Departamenti (LCC)
Sıfır emissiyalı (H2) hidrogenlə işləyən yanacaq elementli elektrik nəqliyyat vasitələri (FCEV) sıfır ekoloji hədəflərə çatmaq üçün əlavə vasitələr təqdim edir. H2 mühərrikli yanacaq elementli sərnişin avtomobili 5-7 dəqiqəyə doldurula bilər və 500 km məsafə qət edə bilər, lakin istehsal həcminin aşağı olması səbəbindən hazırda daha bahalıdır. Xərcləri azaltmağın bir yolu BEV və FCEV modelləri üçün standart platformadan istifadə etməkdir. Bu, hazırda mümkün deyil, çünki FCEV-lərdə 700 bar təzyiqdə sıxılmış H2 qazını (CGH2) saxlamaq üçün istifadə edilən Tip 4 silindrik çənlər elektrik nəqliyyat vasitələri üçün diqqətlə hazırlanmış alt batareya bölmələri üçün uyğun deyil. Lakin, yastıq və kub şəklində təzyiq qabları bu düz qablaşdırma sahəsinə sığa bilər.
1995-ci ildə Thiokol Corp. tərəfindən təqdim edilmiş ərizə (solda) və 2009-cu ildə BMW tərəfindən patentləşdirilmiş düzbucaqlı təzyiq qabı (sağda) üçün “Kompozit Konformal Təzyiq Gəmisi” üçün ABŞ patenti US5577630A.
Münhen Texniki Universitetinin (TUM, Münhen, Almaniya) Karbon Kompozitləri Departamenti (LCC) bu konsepsiyanın hazırlanması üçün iki layihədə iştirak edir. Birincisi, Leoben Polimer Kompetensiya Mərkəzinin (PCCL, Leoben, Avstriya) rəhbərlik etdiyi Polymers4Hydrogen (P4H) layihəsidir. LCC iş paketinə təqaüdçü Elizabeth Glace rəhbərlik edir.
İkinci layihə, tədqiqatçı Kristian Yaegerin rəhbərlik etdiyi Hidrogen Nümayiş və İnkişaf Mühiti (HyDDen) layihəsidir. Hər iki layihə karbon lifli kompozitlərdən istifadə edərək uyğun CGH2 çəninin hazırlanması üçün istehsal prosesinin genişmiqyaslı nümayişini yaratmağı hədəfləyir.
Kiçik diametrli silindrlər düz batareya elementlərinə (solda) və polad astarlardan və karbon lifli/epoksi kompozit xarici örtükdən (sağda) hazırlanmış kub tipli 2 təzyiq qablarına quraşdırıldıqda həcm səmərəliliyi məhduddur. Şəkil mənbəyi: Şəkillər 3 və 6 Ruf və Zaremba və digərlərinin "Daxili Gərginlik Ayaqları olan II Tip Təzyiq Qutusu Qabı üçün Rəqəmsal Dizayn Yanaşması"ndan götürülmüşdür.
P4H, karbon lifli epoksi ilə bükülmüş kompozit gərginlik qayışları/dayaqları olan termoplastik çərçivədən istifadə edən eksperimental kub çəni hazırlayıb. HyDDen oxşar dizayndan istifadə edəcək, lakin bütün termoplastik kompozit çənləri istehsal etmək üçün avtomatik lif qatlama (AFP) texnologiyasından istifadə edəcək.
Thiokol Corp. tərəfindən verilən patent müraciətindən tutmuş 1995-ci ildəki “Kompozit Konformal Təzyiq Gəmisi”nə və 1997-ci ildəki DE19749950C2 Alman Patentinə qədər, sıxılmış qaz qabları “istənilən həndəsi konfiqurasiyaya”, xüsusən də qabıq dayağına bağlı boşluqda düz və nizamsız formalara malik ola bilər. Qazın genişlənmə qüvvəsinə davam gətirə biləcək şəkildə elementlərdən istifadə olunur.
2006-cı ildə Lorens Livermor Milli Laboratoriyası (LLNL) tərəfindən dərc olunmuş məqalədə üç yanaşma təsvir olunur: filament sarğılı konformal təzyiq qabı, nazik divarlı H2 qabı ilə əhatə olunmuş daxili ortorombik qəfəs quruluşuna (2 sm və ya daha az kiçik hüceyrələrə) malik mikro qəfəs təzyiq qabı və yapışdırılmış kiçik hissələrdən (məsələn, altıbucaqlı plastik halqalar) və nazik xarici qabıq örtüyündən ibarət daxili quruluşdan ibarət replikator qabı. Təkrarlanan qablar ənənəvi metodların tətbiqinin çətin ola biləcəyi daha böyük qablar üçün ən uyğundur.
Volkswagen tərəfindən 2009-cu ildə təqdim edilmiş DE102009057170A patentində, məkandan istifadəni yaxşılaşdırarkən yüksək çəki səmərəliliyi təmin edəcək nəqliyyat vasitəsinə quraşdırılmış təzyiqli qab təsvir edilmişdir. Düzbucaqlı çənlər iki düzbucaqlı əks divar arasında gərginlikli birləşdiricilərdən istifadə edir və künclər yuvarlaqlaşdırılıb.
Yuxarıda göstərilənlər və digər konsepsiyalar Gleiss tərəfindən ECCM20-də (26-30 iyun 2022, Lozanna, İsveçrə) Gleiss və digərlərinin "Dartıcı çubuqlu kubik təzyiqli gəmilər üçün proses inkişafı" adlı məqaləsində sitat gətirilmişdir. Bu məqalədə o, Michael Roof və Sven Zaremba tərəfindən dərc edilmiş TUM tədqiqatına istinad edir. Bu tədqiqatda düzbucaqlı tərəfləri birləşdirən gərginlik dayaqları olan kubik təzyiqli gəminin düz batareyanın boşluğuna sığan bir neçə kiçik silindrdən daha səmərəli olduğu və təxminən 25% daha çox saxlama yeri təmin etdiyi aşkar edilmişdir.
Qleisin sözlərinə görə, çox sayda kiçik 4 tipli silindrlərin düz korpusa quraşdırılmasının problemi ondadır ki, “silindrlər arasındakı həcm xeyli azalır və sistemin həmçinin çox böyük H2 qaz keçiriciliyi səthi var. Ümumilikdə, sistem kubik bankalara nisbətən daha az saxlama tutumu təmin edir”.
Lakin, çənin kubik dizaynı ilə bağlı digər problemlər də mövcuddur. “Aydındır ki, sıxılmış qaz səbəbindən düz divarlardakı əyilmə qüvvələrinə qarşı durmaq lazımdır”, - deyə Qleys bildirib. “Bunun üçün içəridən çənin divarlarına birləşən möhkəmləndirilmiş bir konstruksiyaya ehtiyacınız var. Lakin bunu kompozitlərlə etmək çətindir.”
Qleys və onun komandası filament sarğı prosesi üçün uyğun olacaq şəkildə təzyiq qabına möhkəmləndirici gərginlik çubuqlarını daxil etməyə çalışdılar. O izah edir ki, “bu, yüksək həcmli istehsal üçün vacibdir və həmçinin zonadakı hər bir yük üçün lif istiqamətini optimallaşdırmaq üçün konteyner divarlarının sarğı naxışını dizayn etməyə imkan verir.”
P4H layihəsi üçün sınaq kubik kompozit çəninin hazırlanmasının dörd mərhələsi. Şəkil müəllifi: “Dəstəkli kubik təzyiqli qablar üçün istehsal prosesinin hazırlanması”, Münhen Texniki Universiteti, Polymers4Hydrogen layihəsi, ECCM20, iyun 2022.
Zəncirvari birləşməyə nail olmaq üçün komanda yuxarıda göstərildiyi kimi dörd əsas mərhələdən ibarət yeni bir konsepsiya hazırlayıb. Pilləkənlərdə qara rənglə göstərilən gərginlik dayaqları, MAI Skelett layihəsindən götürülmüş metodlardan istifadə etməklə hazırlanmış əvvəlcədən hazırlanmış çərçivə konstruksiyasıdır. Bu layihə üçün BMW, daha sonra plastik çərçivəyə qəliblənmiş dörd liflə möhkəmləndirilmiş pultruziya çubuğundan istifadə edərək ön şüşə çərçivəsi "çərçivəsi" hazırlayıb.
Təcrübə kubik çəninin çərçivəsi. Gücləndirilməmiş PLA filamentindən (yuxarı) istifadə edərək TUM tərəfindən 3D çap edilmiş altıbucaqlı skelet hissələri, CF/PA6 pultruziya çubuqlarını gərginlik dayaqları kimi daxil edir (orta) və sonra filamenti dayaqların ətrafına sarır (aşağı). Şəkil müəllifi: Münhen Texniki Universiteti LCC.
“İdeya ondan ibarətdir ki, kubik çənin çərçivəsini modulyar struktur kimi qura bilərsiniz”, - deyə Qleys bildirib. “Bu modullar daha sonra qəlibləmə alətinə yerləşdirilir, gərginlik dayaqları çərçivə modullarına yerləşdirilir və sonra onları çərçivə hissələri ilə birləşdirmək üçün dayaqların ətrafında MAI Skelett metodundan istifadə olunur.” Kütləvi istehsal metodu nəticəsində saxlama çəninin kompozit qabığını bükmək üçün mandrel və ya nüvə kimi istifadə edilən struktur yaranır.
TUM, çən çərçivəsini möhkəm tərəfləri, yuvarlaq küncləri və yuxarı və aşağı hissələrində bağlayıcıların daxil edilib bərkidilə biləcəyi altıbucaqlı naxışlı kubik "yastıq" kimi dizayn etdi. Bu rəflər üçün dəliklər də 3D çap edildi. "İlk təcrübə çənimiz üçün polilaktik turşu [bioloji əsaslı termoplastik PLA] istifadə edərək altıbucaqlı çərçivə hissələrini 3D çap etdik, çünki bu, asan və ucuz idi", - deyə Qleys bildirib.
Komanda, SGL Carbon-dan (Meitingen, Almaniya) 68 ədəd dartılmış karbon lifli möhkəmləndirilmiş poliamid 6 (PA6) çubuq alıb. “Konsepsiyanı sınaqdan keçirmək üçün heç bir qəlibləmə aparmadıq”, - deyə Qleys bildirib, “sadəcə 3D çaplı pətək nüvəsi çərçivəsinə aralayıcılar yerləşdirdik və onları epoksi yapışqanla yapışdırdıq. Bu, daha sonra çəni sarmaq üçün bir mandrel təmin edir.” O qeyd edir ki, bu çubuqların sarılması nisbətən asan olsa da, daha sonra təsvir ediləcək bəzi əhəmiyyətli problemlər var.
“İlk mərhələdə məqsədimiz dizaynın istehsal qabiliyyətini nümayiş etdirmək və istehsal konsepsiyasındakı problemləri müəyyən etmək idi”, - deyə Qleys izah etdi. “Beləliklə, gərginlik dayaqları skelet strukturunun xarici səthindən çıxır və karbon liflərini yaş filament sarğı istifadə edərək bu nüvəyə birləşdiririk. Bundan sonra, üçüncü addımda hər bir bağlama çubuğunun başlığını bükürük. termoplastik, beləliklə, başlığı yenidən formalaşdırmaq üçün istilikdən istifadə edirik ki, o, düzləşsin və birinci sarğı təbəqəsinə yapışsın. Daha sonra strukturu yenidən sarmağa davam edirik ki, düz itələmə başlığı həndəsi olaraq çən daxilində divarlara laminatla örtülsün.”
Sarğı üçün aralıq qapaq. TUM, filament sarğı zamanı liflərin dolaşmasının qarşısını almaq üçün gərginlik çubuqlarının uclarında plastik qapaqlardan istifadə edir. Şəkil müəllifi: Münhen Texniki Universiteti LCC.
Qleys bu ilk çənlərin konsepsiyanın sübutu olduğunu təkrarladı. “3D çap və yapışqandan istifadə yalnız ilkin sınaq üçün idi və bizə qarşılaşdığımız bir neçə problem barədə təsəvvür yaratdı. Məsələn, sarğı zamanı filamentlər gərginlik çubuqlarının ucları ilə ilişdi və bu da lif qırılmasına, lifin zədələnməsinə və bunun qarşısını almaq üçün lif miqdarının azalmasına səbəb oldu. İlk sarğı mərhələsindən əvvəl dirəklərə yerləşdirilən istehsal vasitələri kimi bir neçə plastik qapaqdan istifadə etdik. Daha sonra daxili laminatlar hazırlandıqda, bu qoruyucu qapaqları çıxardıq və son sarğıdan əvvəl dirəklərin uclarını yenidən formalaşdırdıq.”
Komanda müxtəlif yenidənqurma ssenariləri ilə təcrübələr apardı. Qreys deyir: “Ətrafa baxanlar ən yaxşı işləyirlər. Həmçinin, prototipləmə mərhələsində istilik tətbiq etmək və bağlama çubuğunun uclarını yenidən formalaşdırmaq üçün modifikasiya edilmiş qaynaq alətindən istifadə etdik. Kütləvi istehsal konsepsiyasında, dayaqların bütün uclarını eyni anda daxili örtük laminatına çevirə və forma verə bilən daha böyük bir alətiniz olacaq.”
Çəkmə çubuğu başlıqları yenidən formaya salındı. TUM müxtəlif konsepsiyalarla təcrübələr apardı və çən divar laminatına bərkidilmək üçün kompozit bağların uclarını uyğunlaşdırmaq üçün qaynaqları dəyişdirdi. Şəkil müəllifi: “Kub təzyiqli qablar üçün dayaqlı istehsal prosesinin hazırlanması”, Münhen Texniki Universiteti, Polymers4Hydrogen layihəsi, ECCM20, iyun 2022.
Beləliklə, laminat birinci sarğı mərhələsindən sonra bərkiyir, dirəklər yenidən formaya salınır, TUM filamentlərin ikinci sarğısını tamamlayır və sonra xarici çən divarının laminatı ikinci dəfə bərkiyir. Nəzərə alın ki, bu, 5-ci tip çən dizaynıdır, yəni qaz baryeri kimi plastik astar yoxdur. Aşağıdakı Növbəti Addımlar bölməsindəki müzakirəyə baxın.
“İlk nümayişi eninə hissələrə ayırdıq və birləşdirilmiş sahəni xəritələşdirdik”, - deyə Qleys bildirib. “Yaxın planda laminatla bağlı bəzi keyfiyyət problemlərimiz olduğu, dayaq başlıqlarının daxili laminatın üzərinə düz düşmədiyi görünür.”
Çənin daxili və xarici divarlarının laminatı arasındakı boşluqlarla bağlı problemlərin həlli. Modifikasiya edilmiş bağlama çubuğu başlığı eksperimental çənin birinci və ikinci növbələri arasında boşluq yaradır. Şəkil müəllifi: Münhen Texniki Universiteti LCC.
Bu ilkin 450 x 290 x 80 mm ölçülü çən ötən yay tamamlandı. “O vaxtdan bəri çox irəliləyiş əldə etmişik, amma daxili və xarici laminat arasında hələ də boşluq var”, - deyə Qleys bildirib. “Buna görə də həmin boşluqları təmiz, yüksək özlülüklü qətranla doldurmağa çalışdıq. Bu, əslində dirəklər və laminat arasındakı əlaqəni yaxşılaşdırır ki, bu da mexaniki gərginliyi xeyli artırır”.
Komanda, istənilən dolama modeli üçün həllər də daxil olmaqla, çən dizaynını və prosesini inkişaf etdirməyə davam etdi. “Test çəninin yanları tam qıvrılmamışdı, çünki bu həndəsə üçün dolama yolu yaratmaq çətin idi”, - deyə Qleys izah etdi. “İlkin dolama bucağımız 75° idi, amma bilirdik ki, bu təzyiq qabındakı yükü qarşılamaq üçün birdən çox dövrə lazımdır. Hələ də bu problemin həllini axtarırıq, lakin hazırda bazarda olan proqram təminatı ilə bu asan deyil. Bu, sonrakı layihəyə çevrilə bilər.
Qleys deyir: “Biz bu istehsal konsepsiyasının mümkünlüyünü nümayiş etdirdik, lakin laminat arasındakı əlaqəni yaxşılaşdırmaq və bağlama çubuqlarının formasını dəyişdirmək üçün daha çox çalışmalıyıq. Sınaq maşınında xarici sınaq. Siz aralayıcıları laminatdan çıxarır və həmin birləşmələrin tab gətirə biləcəyi mexaniki yükləri sınaqdan keçirirsiniz.”
Polymers4Hydrogen layihəsinin bu hissəsi 2023-cü ilin sonunda tamamlanacaq və bu vaxta qədər Gleis ikinci nümayiş çənini tamamlamağı ümid edir. Maraqlıdır ki, bu gün dizaynlarda çərçivədə səliqəli şəkildə gücləndirilmiş termoplastiklər və çənin divarlarında termoset kompozitləri istifadə olunur. Bu hibrid yanaşma son nümayiş çənində istifadə olunacaqmı? "Bəli," Qreys dedi. "Polymers4Hydrogen layihəsindəki tərəfdaşlarımız daha yaxşı hidrogen baryer xüsusiyyətlərinə malik epoksi qatranları və digər kompozit matris materialları hazırlayırlar." O, bu iş üzərində işləyən iki tərəfdaşın, PCCL və Tampere Universitetinin (Tampere, Finlandiya) siyahısını təqdim edir.
Qleys və komandası həmçinin LCC konformal kompozit çənindən ikinci HyDDen layihəsi ilə bağlı məlumat mübadiləsi aparıb və fikirlərini Jaeger ilə müzakirə ediblər.
“Biz tədqiqat dronları üçün konformal kompozit təzyiq qabı istehsal edəcəyik”, - deyə Jaeger bildirib. “Bu, TUM-un Aerokosmik və Geodeziya Departamentinin iki şöbəsi - LCC və Vertolyot Texnologiyaları Departamenti (HT) arasında əməkdaşlıqdır. Layihə 2024-cü ilin sonuna qədər başa çatacaq və hazırda təzyiq qabını tamamlayırıq. Bu dizayn daha çox aerokosmik və avtomobil yanaşmasına aiddir. Bu ilkin konsepsiya mərhələsindən sonra növbəti addım ətraflı struktur modelləşdirmə aparmaq və divar strukturunun maneə performansını proqnozlaşdırmaqdır.”
O, sözünə davam edərək bildirib ki, “Bütün ideya hibrid yanacaq elementi və batareyalı hərəkətverici sistemə malik kəşfiyyat dronunun hazırlanmasıdır. O, yüksək güc yükləri zamanı (yəni qalxma və enmə) batareyadan istifadə edəcək və sonra yüngül yüklü kruiz zamanı yanacaq elementinə keçəcək. Yeager deyib: “HT komandası artıq tədqiqat dronuna sahib idi və həm batareyalardan, həm də yanacaq elementlərindən istifadə etmək üçün güc aqreqatını yenidən dizayn ediblər. Onlar həmçinin bu ötürməni sınaqdan keçirmək üçün CGH2 çəni də alıblar.”
“Komandama silindrik tankın yaratdığı qablaşdırma problemləri səbəbindən deyil, uyğun bir təzyiq tankı prototipi qurmaq tapşırığı verildi”, - deyə o izah edir. “Yalnız düz tank külək müqaviməti təklif etmir. Beləliklə, daha yaxşı uçuş performansı əldə edirsiniz.” Tankın ölçüləri təxminən 830 x 350 x 173 mm.
Tamamilə termoplastik AFP uyğun çən. HyDDen layihəsi üçün TUM-dakı LCC komandası əvvəlcə Glace (yuxarıda) tərəfindən istifadə edilən yanaşmaya bənzər bir yanaşma araşdırdı, lakin sonra bir neçə struktur modulun kombinasiyasından istifadə edən bir yanaşmaya keçdi və daha sonra AFP (aşağıda) istifadə edilərək həddindən artıq istifadə edildi. Şəkil müəllifi: Münhen Texniki Universiteti LCC.
Yager deyir ki, “Bir fikir Elizabet [Qleysin] yanaşmasına bənzəyir ki, yüksək əyilmə qüvvələrini kompensasiya etmək üçün damar divarına gərginlik dayaqları tətbiq edək. Lakin, çən hazırlamaq üçün sarğı prosesindən istifadə etmək əvəzinə, biz AFP-dən istifadə edirik. Buna görə də, dayaqların artıq inteqrasiya olunduğu təzyiq qabının ayrıca bir hissəsini yaratmağı düşündük. Bu yanaşma mənə bu inteqrasiya olunmuş modulların bir neçəsini birləşdirməyə və sonra son AFP sarğısından əvvəl hər şeyi möhürləmək üçün son qapaq tətbiq etməyə imkan verdi.”
“Biz belə bir konsepsiyanı yekunlaşdırmağa çalışırıq”, - deyə o, davam etdi, “və həmçinin materialların seçimini sınaqdan keçirməyə başlayırıq ki, bu da H2 qazının nüfuz etməsinə qarşı lazımi müqaviməti təmin etmək üçün çox vacibdir. Bunun üçün əsasən termoplastik materiallardan istifadə edirik və materialın bu keçiricilik davranışına və AFP maşınında emalına necə təsir edəcəyi üzərində işləyirik. Emalın təsirinin olub-olmayacağını və hər hansı sonrakı emalın tələb olunduğunu anlamaq vacibdir. Həmçinin, müxtəlif yığınların təzyiq qabından hidrogenin nüfuz etməsinə təsir edib-etməyəcəyini bilmək istəyirik.”
Çən tamamilə termoplastikdən hazırlanacaq və zolaqlar Teijin Carbon Europe GmbH (Vuppertal, Almaniya) tərəfindən təchiz ediləcək. Yager dedi: “Biz onların PPS [polifenil sulfid], PEEK [polieter keton] və LM PAEK [aşağı əriyən poliaril keton] materiallarından istifadə edəcəyik. Daha sonra hansının nüfuzetmənin qorunması və daha yaxşı performansa malik hissələrin istehsalı üçün ən yaxşı olduğunu görmək üçün müqayisələr aparılır.” O, növbəti il ərzində sınaqları, struktur və proses modelləşdirməsini və ilk nümayişləri başa çatdırmağı ümid edir.
Tədqiqat işi İqlim Dəyişikliyi, Ətraf Mühit, Enerji, Mobillik, İnnovasiya və Texnologiya üzrə Federal Nazirliyinin və Rəqəmsal Texnologiya və İqtisadiyyat üzrə Federal Nazirliyinin COMET proqramı çərçivəsində COMET modulu “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) çərçivəsində aparılmışdır. Müəlliflər bu tədqiqat işinə töhfə verən iştirakçı tərəfdaşlara - Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Avstriya), Montanuniversitaet Leoben (Polimer Mühəndisliyi və Elmi Fakültəsi, Polimer Materialları Kimyası Bölümü, Materialşünaslıq və Polimer Sınaqları Bölümü), Tampere Universitetinə (Mühəndislik Materialları Fakültəsi), Peak Technology və Faurecia şirkətlərinə təşəkkür edirlər. COMET-Modul Avstriya hökuməti və Ştiriya əyaləti hökuməti tərəfindən maliyyələşdirilir.
Yükdaşıyan konstruksiyalar üçün əvvəlcədən möhkəmləndirilmiş təbəqələr təkcə şüşədən deyil, həm də karbon və aramiddən hazırlanmış davamlı liflərdən ibarətdir.
Kompozit hissələrin hazırlanmasının bir çox yolu var. Buna görə də, müəyyən bir hissə üçün metodun seçimi materialdan, hissənin dizaynından və son istifadəsindən və ya tətbiqindən asılı olacaq. Budur seçim təlimatı.
“Shocker Composites” və “R&M International” şirkətləri sıfır kəsim təmin edən, təmiz lifdən daha aşağı qiymətə malik və nəticədə struktur xüsusiyyətlərinə görə davamlı lifə yaxınlaşan uzunluqlar təklif edən təkrar emal olunmuş karbon lifli təchizat zənciri hazırlayırlar.
Yazı vaxtı: 15 Mart 2023