Normaj plataj platformaj tankoj por BEV-oj kaj FCEV-oj uzas termoplastajn kaj termohardantajn kompozitojn kun skeleta konstruo kiu provizas 25% pli da H2-stokado. #hidrogeno #tendencoj
Post kiam kunlaboro kun BMW montris, ke kuba tanko povus liveri pli altan volumetran efikecon ol pluraj malgrandaj cilindroj, la Teknika Universitato de Munkeno komencis projekton por disvolvi kompozitan strukturon kaj skaleblan fabrikadan procezon por seria produktado. Bildkredito: TU Dresden (supre) maldekstre), Teknika Universitato de Munkeno, Fako de Karbonaj Kompozitoj (LCC)
Fuelpilaj elektraj veturiloj (FCEV-oj) funkciigitaj per nulemisia (H2) hidrogeno provizas pliajn rimedojn por atingi nulajn mediajn celojn. Fuelpila personaŭto kun H2-motoro povas esti plenigita en 5-7 minutoj kaj havas atingon de 500 km, sed nuntempe estas pli multekosta pro malaltaj produktadvolumoj. Unu maniero redukti kostojn estas uzi norman platformon por BEV- kaj FCEV-modeloj. Ĉi tio nuntempe ne eblas ĉar la cilindraj tankoj de Tipo 4 uzataj por stoki kunpremitan H2-gason (CGH2) je 700 baroj en FCEV-oj ne taŭgas por la subĉasiaj bateriujoj, kiuj estis zorge desegnitaj por elektraj veturiloj. Tamen, premujoj en la formo de kusenoj kaj kuboj povas konveni en ĉi tiun platan pakspacon.
Patento US5577630A por "Kompozita Konforma Premujo", aplikaĵo registrita de Thiokol Corp. en 1995 (maldekstre) kaj la rektangula premujo patentita de BMW en 2009 (dekstre).
La Fako pri Karbonaj Komponaĵoj (KKK) de la Teknika Universitato de Munkeno (TUM, Munkeno, Germanio) partoprenas en du projektoj por disvolvi ĉi tiun koncepton. La unua estas Polymers4Hydrogen (P4H), gvidata de la Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Aŭstrio). La LCC-laborpakaĵon gvidas studento Elizabeth Glace.
La dua projekto estas la Hidrogena Demonstraĵo kaj Evoluiga Medio (HyDDen), kie LCC estas gvidata de esploristo Christian Jaeger. Ambaŭ celas krei grandskalan demonstraĵon de la fabrikada procezo por fari taŭgan CGH2-tankon uzante karbonfibrajn kompozitojn.
Ekzistas limigita volumetra efikeco kiam malgrand-diametraj cilindroj estas instalitaj en plataj baterioĉeloj (maldekstre) kaj kubaj tipo 2 premujoj faritaj el ŝtalaj tegaĵoj kaj karbonfibro/epoksio-kompozita ekstera ŝelo (dekstre). Bildfonto: Figuroj 3 kaj 6 estas el "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" de Ruf kaj Zaremba et al.
P4H fabrikis eksperimentan kuban tankon, kiu uzas termoplastan kadron kun kompozitaj streĉrimenoj/apogiloj envolvitaj en karbonfibro-plifortigita epoksio. HyDDen uzos similan dezajnon, sed uzos aŭtomatan fibro-kovradon (AFP) por fabriki ĉiujn termoplastajn kompozitajn tankojn.
De patentpeto de Thiokol Corp. ĝis "Composite Conformal Pressure Vessel" en 1995 ĝis germana patento DE19749950C2 en 1997, kunpremitaj gasujoj "povas havi ajnan geometrian konfiguracion", sed precipe platajn kaj neregulajn formojn, en kavaĵo konektita al la ŝelsubteno. Elementoj estas uzataj tiel ke ili povas elteni la forton de ekspansio de la gaso.
Artikolo de la Nacia Laboratorio Lawrence Livermore (LLNL) el 2006 priskribas tri metodojn: filamento-volvitan konforman premujon, mikrokradan premujon enhavantan internan ortoromban kradstrukturon (malgrandaj ĉeloj de 2 cm aŭ malpli), ĉirkaŭitan de maldikmura H2-ujo, kaj replikaĵan ujon, konsistantan el interna strukturo konsistanta el gluitaj malgrandaj partoj (ekz., seslateraj plastaj ringoj) kaj komponaĵo de maldika ekstera ŝelo. Duplikataj ujoj estas plej taŭgaj por pli grandaj ujoj, kie tradiciaj metodoj povas esti malfacile aplikeblaj.
Patento DE102009057170A registrita de Volkswagen en 2009 priskribas veturil-muntitan premujon, kiu provizos altan pezo-efikecon kaj samtempe plibonigos spacuzadon. Rektangulaj tankoj uzas streĉajn konektilojn inter du rektangulaj kontraŭaj muroj, kaj la anguloj estas rondetaj.
La supre menciitaj kaj aliaj konceptoj estas cititaj de Gleiss en la artikolo "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" (Proceza Disvolviĝo por Kubaj Premujoj kun Streĉaj Stangoj) de Gleiss et al. ĉe ECCM20 (26-30 junio 2022, Laŭzano, Svislando). En ĉi tiu artikolo, ŝi citas studon de TUM publikigitan de Michael Roof kaj Sven Zaremba, kiu trovis, ke kuba premujo kun streĉaj apogiloj konektantaj rektangulajn flankojn estas pli efika ol pluraj malgrandaj cilindroj, kiuj konvenas en la spacon de plata baterio, provizante proksimume 25% pli da stoka spaco.
Laŭ Gleiss, la problemo kun instalado de granda nombro da malgrandaj cilindroj de tipo 4 en plata ujo estas, ke "la volumeno inter la cilindroj estas multe reduktita kaj la sistemo ankaŭ havas tre grandan surfacon por trapenetri H2-gason. Ĝenerale, la sistemo provizas malpli da stoka kapacito ol kubaj vazoj."
Tamen, ekzistas aliaj problemoj kun la kuba dezajno de la tanko. “Evidente, pro la kunpremita gaso, oni devas kontraŭagi la fleksajn fortojn sur la plataj muroj,” diris Gleiss. “Por tio, oni bezonas plifortigitan strukturon, kiu interne konektiĝas al la muroj de la tanko. Sed tio estas malfacile farebla kun kompozitaj materialoj.”
Glace kaj ŝia teamo provis enmeti plifortigajn streĉajn stangojn en la premujon tiel, ke ĝi taŭgus por la filamenta volvaĵoprocezo. “Ĉi tio gravas por altkvanta produktado,” ŝi klarigas, “kaj ankaŭ permesas al ni desegni la volvaĵopadronon de la ujmuroj por optimumigi la fibro-orientiĝon por ĉiu ŝarĝo en la zono.”
Kvar paŝoj por fari provan kuban kompozitan tankon por la projekto P4H. Bildkredito: "Disvolviĝo de produktadprocezo por kubaj premujoj kun apogilo", Teknika Universitato de Munkeno, projekto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junio 2022.
Por atingi ĉen-sur-ĉenan sistemon, la teamo evoluigis novan koncepton konsistantan el kvar ĉefaj paŝoj, kiel montrite supre. La streĉaj apogiloj, montritaj nigre sur la paŝoj, estas prefabrikita framstrukturo fabrikita per metodoj prenitaj de la MAI Skelett-projekto. Por ĉi tiu projekto, BMW evoluigis antaŭglacan kadron uzante kvar fibro-plifortigitajn pultrudajn stangojn, kiuj poste estis mulditaj en plastan kadron.
La kadro de eksperimenta kuba tanko. Sesangulaj skeletaj sekcioj 3D-presitaj per TUM uzante neplifortikigitan PLA-filamenton (supre), enmetante CF/PA6-pultrudajn stangojn kiel streĉajn apogilojn (meze) kaj poste volvante la filamenton ĉirkaŭ la apogiloj (sube). Bildkredito: Teknika Universitato de Munkeno LCC.
“La ideo estas, ke oni povas konstrui la kadron de kuba tanko kiel modulan strukturon,” diris Glace. “Ĉi tiuj moduloj estas poste metitaj en muldilon, la streĉaj apogiloj estas metitaj en la framajn modulojn, kaj poste la metodo de MAI Skelett estas uzata ĉirkaŭ la apogiloj por integri ilin kun la framaj partoj.” amasprodukta metodo, rezultante en strukturo, kiu estas poste uzata kiel mandrelo aŭ kerno por envolvi la kompozitan ŝelon de la stokujo.
TUM desegnis la tankkadron kiel kuban "kusenon" kun solidaj flankoj, rondetaj anguloj kaj sesangula ŝablono supre kaj sube, tra kiu oni povas enigi kaj fiksi ligilojn. La truoj por ĉi tiuj rakoj ankaŭ estis 3D-presitaj. "Por nia komenca eksperimenta tanko, ni 3D-presis sesangulajn kadrajn sekciojn uzante polilaktan acidon [PLA, biologia termoplasto] ĉar ĝi estis facila kaj malmultekosta," diris Glace.
La teamo aĉetis 68 pultruditajn karbonfibro-plifortigitajn poliamidajn 6 (PA6) stangojn de SGL Carbon (Meitingen, Germanio) por uzo kiel ligiloj. "Por testi la koncepton, ni ne faris ian ajn fandadon," diras Gleiss, "sed simple enigis distancigilojn en 3D-presitan mielĉelaran kernan kadron kaj gluis ilin per epoksiogluo. Tio tiam provizas mandrelon por volvi la tankon." Ŝi rimarkas, ke kvankam ĉi tiuj stangoj estas relative facile volvi, ekzistas kelkaj signifaj problemoj, kiuj estos priskribitaj poste.
“En la unua etapo, nia celo estis demonstri la produkteblecon de la dezajno kaj identigi problemojn en la produktadkoncepto,” klarigis Gleiss. “Do la streĉaj apogiloj elstaras el la ekstera surfaco de la skeletstrukturo, kaj ni fiksas la karbonfibrojn al ĉi tiu kerno uzante malsekan filamentvolvadon. Post tio, en la tria paŝo, ni fleksas la kapon de ĉiu stirstango. termoplasta, do ni simple uzas varmon por transformi la kapon tiel ke ĝi platiĝas kaj ŝlosiĝas en la unuan tavolon de volvaĵo. Ni tiam daŭrigas envolvi la strukturon denove tiel ke la plata puŝkapo estas geometrie enfermita ene de la tanko. lamenigita sur la muroj.”
Interaĵa ĉapo por volvado. TUM uzas plastajn ĉapojn ĉe la finoj de la streĉstangoj por malhelpi la fibrojn implikiĝi dum filamenta volvado. Bilda fonto: Teknika Universitato de Munkeno LCC.
Glace ripetis, ke ĉi tiu unua tanko estis pruvo de koncepto. “La uzo de 3D-presado kaj gluo estis nur por komenca testado kaj donis al ni ideon pri kelkaj el la problemoj, kiujn ni renkontis. Ekzemple, dum la volvado, la filamentoj estis kaptitaj de la finoj de la streĉstangoj, kaŭzante fibrorompon, fibrodamaĝon, kaj reduktante la kvanton de fibro por kontraŭbatali tion. Ni uzis kelkajn plastajn ĉapojn kiel fabrikadajn helpilojn, kiuj estis metitaj sur la stangojn antaŭ la unua volvada paŝo. Poste, kiam la internaj lamenaĵoj estis faritaj, ni forigis ĉi tiujn protektajn ĉapojn kaj transformis la finojn de la stangoj antaŭ la fina volvado.”
La teamo eksperimentis kun diversaj rekonstruaj scenaroj. “Tiuj, kiuj rigardas ĉirkaŭen, laboras plej bone,” diras Grace. “Ankaŭ, dum la prototipa fazo, ni uzis modifitan veldilon por apliki varmon kaj transformi la stirstangofinojn. En amasprodukta koncepto, vi havus unu pli grandan ilon, kiu povas formi ĉiujn finojn de la apogtraboj en internan finpoluran lamenaĵon samtempe.”
Retirstangaj kapoj transformitaj. TUM eksperimentis kun diversaj konceptoj kaj modifis la veldsuturojn por vicigi la finojn de la kompozitaj ligiloj por alkroĉiĝo al la lamenaro de la tankomuro. Bildkredito: "Disvolviĝo de produktada procezo por kubaj premujoj kun apogilo", Teknika Universitato de Munkeno, projekto Polymers4Hydrogen, ECCM20, junio 2022.
Tiel, la lamenaro estas hardita post la unua volvaĵopaŝo, la stangoj estas transformitaj, la TUM kompletigas la duan volvaĵon de la filamentoj, kaj poste la lamenaro de la ekstera tankomuro estas hardita duan fojon. Bonvolu noti, ke ĉi tio estas tankodezajno de tipo 5, kio signifas, ke ĝi ne havas plastan tegaĵon kiel gasbarieron. Vidu la diskuton en la sekcio Sekvaj Paŝoj sube.
„Ni tranĉis la unuan demonstraĵon en transversajn sekciojn kaj mapigis la konektitan areon,“ diris Glace. „Proksima bildo montras, ke ni havis kelkajn kvalitajn problemojn kun la lamenaro, ĉar la apogiloj ne kuŝis plate sur la interna lamenaro.“
Solvante problemojn kun interspacoj inter la lamenaro de la internaj kaj eksteraj muroj de la tanko. La modifita stirstango-kapo kreas interspacon inter la unua kaj dua turnoj de la eksperimenta tanko. Bildkredito: Teknika Universitato de Munkeno LCC.
Ĉi tiu komenca 450 x 290 x 80mm tanko estis kompletigita lastan someron. “Ni faris multe da progreso de tiam, sed ni ankoraŭ havas interspacon inter la interna kaj ekstera lamenaĵo,” diris Glace. “Do ni provis plenigi tiujn interspacojn per pura, alt-viskozeca rezino. Ĉi tio fakte plibonigas la konekton inter la stangoj kaj la lamenaĵo, kio multe pliigas la mekanikan streĉon.”
La teamo daŭre evoluigis la tankodezajnon kaj procezon, inkluzive de solvoj por la dezirata volvaĵpadrono. “La flankoj de la testtanko ne estis plene krispigitaj ĉar estis malfacile por ĉi tiu geometrio krei volvaĵvojon,” klarigis Glace. “Nia komenca volvaĵangulo estis 75°, sed ni sciis, ke pluraj cirkvitoj estis necesaj por plenumi la ŝarĝon en ĉi tiu premujo. Ni ankoraŭ serĉas solvon al ĉi tiu problemo, sed ĝi ne estas facila kun la programaro nuntempe sur la merkato. Ĝi eble fariĝos posta projekto.”
„Ni jam montris la fareblecon de ĉi tiu produktadkoncepto,“ diras Gleiss, „sed ni bezonas plu labori por plibonigi la konekton inter la lamenaro kaj transformi la stirstangojn. „Ekstera testado sur testmaŝino. Vi eltiras la distancigilojn el la lamenaro kaj testas la mekanikajn ŝarĝojn, kiujn tiuj juntoj povas elteni.“
Ĉi tiu parto de la projekto Polymers4Hydrogen estos kompletigita fine de 2023, kaj antaŭ tio Gleis esperas kompletigi la duan demonstraĵtankon. Interese, la hodiaŭaj projektoj uzas purajn plifortikigitajn termoplastojn en la kadro kaj termohardantajn kompozitojn en la tankomuroj. Ĉu ĉi tiu hibrida aliro estos uzata en la fina demonstraĵtanko? "Jes," diris Grace. "Niaj partneroj en la projekto Polymers4Hydrogen disvolvas epoksiajn rezinojn kaj aliajn kompozitajn matricajn materialojn kun pli bonaj hidrogenaj barieraj ecoj." Ŝi listigas du partnerojn laborantajn pri ĉi tiu laboro, PCCL kaj la Universitaton de Tampere (Tampere, Finnlando).
Gleiss kaj ŝia teamo ankaŭ interŝanĝis informojn kaj diskutis ideojn kun Jaeger pri la dua HyDDen-projekto el la LCC-konforma kompozita tanko.
“Ni produktos konforman kompozitan premujon por esploraj virabeloj,” diras Jaeger. “Ĉi tio estas kunlaboro inter la du fakoj de la Aerospaca kaj Geodezia Fako de TUM – LCC kaj la Fako de Helikoptera Teknologio (HT). La projekto estos kompletigita antaŭ la fino de 2024 kaj ni nuntempe kompletigas la premujon, dezajno kiu estas pli aerospaca kaj aŭtomobila aliro. Post ĉi tiu komenca koncepta stadio, la sekva paŝo estas plenumi detalan strukturan modeladon kaj antaŭdiri la baran rendimenton de la murstrukturo.”
“La tuta ideo estas disvolvi esploran dronon kun hibrida fuelpilo kaj bateria propulssistemo,” li daŭrigis. Ĝi uzos la baterion dum altaj potencaj ŝarĝoj (t.e., deteriĝo kaj alteriĝo) kaj poste ŝanĝos al la fuelpilo dum malpeza ŝarĝo. “La HT-teamo jam havis esplordronon kaj restrukturis la potencotrajnon por uzi kaj bateriojn kaj fuelpilojn,” diris Yeager. “Ili ankaŭ aĉetis CGH2-tankon por testi ĉi tiun transmision.”
“Mia teamo ricevis la taskon konstrui prototipon de premujo, kiu taŭgus, sed ne pro la problemoj pri pakado, kiujn cilindra tanko kreus,” li klarigas. “Pli plata tanko ne ofertas tiom da ventrezisto. Do vi ricevas pli bonan flugrendimenton.” Tankaj dimensioj estas proksimume 830 x 350 x 173 mm.
Plene termoplasta AFP-konforma tanko. Por la projekto HyDDen, la LCC-teamo ĉe TUM komence esploris similan aliron al tiu uzita de Glace (supre), sed poste transiris al aliro uzanta kombinaĵon de pluraj strukturaj moduloj, kiuj poste estis trouzitaj uzante AFP (sube). Bildkredito: Teknika Universitato de Munkeno LCC.
“Unu ideo similas al la aliro de Elisabeth [Gleiss],” diras Yager, “apliki streĉajn apogilojn al la premujo por kompensi la altajn fleksajn fortojn. Tamen, anstataŭ uzi volvan procezon por fari la tankon, ni uzas AFP. Tial, ni pensis pri kreado de aparta sekcio de la premujo, en kiu la rakoj jam estas integritaj. Ĉi tiu aliro permesis al mi kombini plurajn el ĉi tiuj integraj moduloj kaj poste apliki finĉapon por sigeli ĉion antaŭ la fina AFP-volvado.”
“Ni provas finpretigi tian koncepton,” li daŭrigis, “kaj ankaŭ komenci testi la elekton de materialoj, kio estas tre grava por certigi la necesan reziston al penetrado de H2-gaso. Por tio, ni ĉefe uzas termoplastajn materialojn kaj laboras pri diversaj manieroj kiel la materialo influos ĉi tiun penetran konduton kaj prilaboradon en la AFP-maŝino. Gravas kompreni ĉu la traktado havos efikon kaj ĉu ia post-prilaborado estas necesa. Ni ankaŭ volas scii ĉu malsamaj stakoj influos hidrogenan penetradon tra la premujo.”
La tanko estos tute farita el termoplastaĵo kaj la striojn liveros Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germanio). “Ni uzos iliajn materialojn PPS [polifenilena sulfido], PEEK [polieterketono] kaj LM PAEK [malaltfandanta poliarila ketono],” diris Yager. “Komparoj tiam estas faritaj por vidi kiu estas plej bona por penetroprotekto kaj produktado de partoj kun pli bona rendimento.” Li esperas kompletigi testadon, strukturan kaj procezan modeligadon kaj unuajn demonstraĵojn ene de la venonta jaro.
La esplorlaboro estis efektivigita ene de la COMET-modulo "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) ene de la COMET-programo de la Federacia Ministerio pri Klimata Ŝanĝiĝo, Medio, Energio, Moviĝeblo, Novigado kaj Teknologio kaj la Federacia Ministerio pri Cifereca Teknologio kaj Ekonomiko. La aŭtoroj dankas la partoprenantajn partnerojn Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Aŭstrio), Montanuniversitaet Leoben (Fakultato de Polimera Inĝenierarto kaj Scienco, Departemento de Kemio de Polimeraj Materialoj, Departemento de Materiala Scienco kaj Polimera Testado), Universitato de Tampere (Fakultato de Materiala Inĝenierarto), Peak Technology kaj Faurecia pro kontribuo al ĉi tiu esplorlaboro. COMET-Modulo estas financata de la registaro de Aŭstrio kaj la registaro de la ŝtato Stirio.
Antaŭplifortigitaj folioj por portantaj strukturoj enhavas kontinuajn fibrojn - ne nur el vitro, sed ankaŭ el karbono kaj aramido.
Ekzistas multaj manieroj fari kompozitajn partojn. Tial, la elekto de metodo por aparta parto dependos de la materialo, la dezajno de la parto, kaj la fina uzo aŭ apliko. Jen gvidilo por elekto.
Shocker Composites kaj R&M International evoluigas provizoĉenon de reciklita karbonfibra fibro, kiu provizas nulan buĉadon, pli malaltan koston ol virga fibro kaj poste ofertos longojn, kiuj proksimiĝas al kontinua fibro laŭ strukturaj ecoj.
Afiŝtempo: 15-a de marto 2023