Akuga elektriautode ja kütuseelemendiga elektriautode standardsetes lameda platvormiga paakides kasutatakse termoplastseid ja termoreaktiivseid komposiite, mille karkasskonstruktsioon võimaldab 25% rohkem H2 salvestust. #vesinik #trendid
Pärast seda, kui koostöö BMW-ga näitas, et kuupmeetrine paak suudab pakkuda suuremat mahutõhusust kui mitu väikest silindrit, alustas Müncheni Tehnikaülikool projekti komposiitstruktuuri ja skaleeritava tootmisprotsessi väljatöötamiseks seeriatootmiseks. Pildi autor: TU Dresden (üleval vasakul), Müncheni Tehnikaülikool, süsinikkomposiitide osakond (LCC)
Nullheitmelise (H2) vesinikuga töötavad kütuseelementidega elektrisõidukid (FCEV-d) pakuvad täiendavaid võimalusi keskkonnaeesmärkide nulltaseme saavutamiseks. H2-mootoriga kütuseelementidega sõiduautot saab täita 5–7 minutiga ja selle sõiduulatus on 500 km, kuid see on praegu madalate tootmismahtude tõttu kallim. Üks viis kulude vähendamiseks on kasutada akuga elektriautode ja kütuseelementidega elektriautode mudelite jaoks standardplatvormi. See pole praegu võimalik, kuna FCEV-des 700 baari juures surugaasi (CGH2) hoidmiseks kasutatavad 4. tüüpi silindrilised paagid ei sobi elektriautode jaoks hoolikalt konstrueeritud autoaluse aku ruumidesse. Sellesse tasasele pakkeruumi mahuvad aga padja- ja kuubikukujulised surveanumad.
Patent US5577630A „Komposiitkonstruktsiooniga surveanumale”, mille esitas Thiokol Corp. 1995. aastal (vasakul) ja BMW patenteeris ristkülikukujulise surveanuma 2009. aastal (paremal).
Müncheni Tehnikaülikooli (TUM, München, Saksamaa) süsinikkomposiitide osakond (LCC) osaleb kahes selle kontseptsiooni arendamise projektis. Esimene neist on Polymers4Hydrogen (P4H), mida juhib Leobeni Polümeeride Kompetentsikeskus (PCCL, Leoben, Austria). LCC tööpaketti juhib stipendiaat Elizabeth Glace.
Teine projekt on vesiniku demonstratsiooni- ja arenduskeskkond (HyDDen), kus LCC-d juhib teadur Christian Jaeger. Mõlema eesmärk on luua laiaulatuslik demonstratsioon sobiva CGH2 paagi tootmisprotsessist süsinikkiust komposiitide abil.
Väikese läbimõõduga silindrite paigaldamisel lamedatesse akuelementidesse (vasakul) ja terasvoodriga ning süsinikkiust/epoksüüdkomposiidist väliskestaga kuubikujulistesse 2. tüüpi surveanumatesse (paremal) on mahuline efektiivsus piiratud. Pildi allikas: joonised 3 ja 6 pärinevad Rufi ja Zaremba jt artiklist „Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs“ („Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs“).
P4H on valmistanud eksperimentaalse kuubikukujulise paagi, mis kasutab termoplastist raami ja komposiit pingutusrihmasid/tugesid, mis on mähitud süsinikkiuga tugevdatud epoksüvaiguga. HyDDen kasutab sarnast disaini, kuid kõigi termoplastilistest komposiitpaakide tootmisel kasutatakse automaatset kiudude paigutust (AFP).
Alates Thiokol Corp. patenditaotlusest „Composite Conformal Pressure Vessel” 1995. aastal kuni Saksa patendini DE19749950C2 1997. aastal võivad surugaasianumad olla „mis tahes geomeetrilise konfiguratsiooniga”, kuid eriti lameda ja ebakorrapärase kujuga, mis paiknevad kesta toega ühendatud õõnsuses. Elemente kasutatakse nii, et need taluksid gaasi paisumisjõudu.
Lawrence Livermore'i riikliku labori (LLNL) 2006. aasta artiklis kirjeldatakse kolme lähenemisviisi: filamentmähisega konformne surveanum, mikrovõrega surveanum, mis sisaldab sisemist ortorombilist võrestruktuuri (väikesed, 2 cm2 või väiksemad rakud) ja mida ümbritseb õhukeseinaline H2-mahuti, ning replikaatormahuti, mis koosneb sisestruktuurist, mis koosneb liimitud väikestest osadest (nt kuusnurksed plastrõngad) ja õhukesest väliskestast. Duplikaatmahutid sobivad kõige paremini suuremate mahutite jaoks, kus traditsiooniliste meetodite rakendamine võib olla keeruline.
Volkswageni poolt 2009. aastal esitatud patent DE102009057170A kirjeldab sõidukile paigaldatavat surveanumat, mis pakub suurt kaalutõhusust ja parandab samal ajal ruumikasutust. Ristkülikukujulistes mahutites kasutatakse kahe ristkülikukujulise vastasseina vahel tõmbeühendusi ja nurgad on ümarad.
Eeltoodut ja teisi kontseptsioone tsiteerib Gleiss oma artiklis „Protsessi arendamine kuupmeetriliste surveanumate jaoks venitusvarrastega“ ECCM20-l (26.–30. juuni 2022, Lausanne, Šveits). Selles artiklis viitab ta Michael Roofi ja Sven Zaremba avaldatud TUM-i uuringule, milles leiti, et kuupmeetrine surveanum, mille tõmbetugesid ühendavad ristkülikukujulised küljed, on tõhusam kui mitu väikest silindrit, mis mahuvad tühja aku ruumi, pakkudes umbes 25% rohkem hoiuruumi.
Gleissi sõnul on suure hulga väikeste 4. tüüpi balloonide paigaldamise probleem lamedasse korpusesse see, et "balloonide vaheline ruumala on oluliselt vähenenud ja süsteemil on ka väga suur H2 gaasi läbitungimispind. Üldiselt pakub süsteem väiksemat mahutavust kui kuupmeetrised purgid."
Siiski on paagi kuubilise disainiga ka teisi probleeme. „Loomulikult on kokkusurutud gaasi tõttu vaja tasandada lamedatele seintele mõjuvaid painutusjõude,“ ütles Gleiss. „Selleks on vaja tugevdatud konstruktsiooni, mis ühendub sisemiselt paagi seintega. Kuid komposiitmaterjalidega on seda raske teha.“
Glace ja tema meeskond püüdsid surveanumasse lisada tugevdusvardad viisil, mis sobiks filamendi mähkimise protsessi jaoks. „See on oluline suuremahulise tootmise jaoks,“ selgitab ta, „ja võimaldab meil ka kujundada mahuti seinte mähkimismustrit, et optimeerida kiudude orientatsiooni iga tsoonis oleva koorma jaoks.“
Neli sammu katselise kuubilise komposiitpaagi valmistamiseks P4H projekti jaoks. Pildi autor: „Tootmisprotsessi väljatöötamine tugedega kuubiliste surveanumate jaoks“, Müncheni Tehnikaülikool, Polymers4Hydrogen projekt, ECCM20, juuni 2022.
Ahelaühenduse saavutamiseks on meeskond välja töötanud uue kontseptsiooni, mis koosneb neljast põhiastmest, nagu eespool näidatud. Astmetel musta värviga näidatud pingutusvardad on eelvalmistatud raamkonstruktsioon, mis on valmistatud MAI Skeletti projektist pärit meetodite abil. Selle projekti jaoks töötas BMW välja esiklaasi raami „raami“, kasutades nelja kiudtugevdatud pultrusioonvarda, mis seejärel vormiti plastraamiks.
Eksperimentaalse kuupmeetrise paagi raam. TUM-i poolt 3D-prinditud kuusnurksed skeleti sektsioonid, kasutades tugevdamata PLA-filamenti (üleval), CF/PA6 pultrusioonivardad tõmbetugedeks (keskel) ja seejärel filament tugede ümber keritud (all). Pildi autor: Müncheni Tehnikaülikool LCC.
„Idee seisneb selles, et kuubilise paagi raami saab ehitada moodulstruktuurina,“ ütles Glace. „Seejärel asetatakse need moodulid vormimistööriista, pingutusvardad asetatakse raamimoodulitesse ja seejärel kasutatakse MAI Skeleti meetodit tugipostide ümber, et integreerida need raami osadega.“ Masstootmismeetodil, mille tulemuseks on struktuur, mida seejärel kasutatakse mandrelina või südamikuna mahuti komposiitkesta mähkimiseks.
TUM konstrueeris paagi raami kuubikujulise „padjana“, millel on kindlad küljed, ümarad nurgad ja ülemisel ja alumisel küljel kuusnurkne muster, mille kaudu saab sidemeid sisestada ja kinnitada. Nende riiulite augud prinditi samuti 3D-printimisega. „Meie esialgse eksperimentaalse paagi jaoks prindisime kuusnurksed raamiosad 3D-printimisega, kasutades polüpiimhapet [PLA, biopõhine termoplast], sest see oli lihtne ja odav,“ ütles Glace.
Meeskond ostis SGL Carbonilt (Meitingen, Saksamaa) 68 pultrudeeritud süsinikkiust tugevdatud polüamiid 6 (PA6) varda, mida kasutati sidematerjalina. „Kontseptsiooni testimiseks me ei teinud mingit vormimist,“ ütleb Gleiss, „vaid lihtsalt sisestasime vahetükid 3D-prinditud kärgstruktuuriga südamikraami ja liimisime need epoksüliimiga. See annab seejärel paagi kerimiseks mõeldud südamiku.“ Ta märgib, et kuigi neid vardaid on suhteliselt lihtne kerida, on mõned olulised probleemid, mida kirjeldatakse hiljem.
„Esimeses etapis oli meie eesmärk demonstreerida disaini valmistatavust ja tuvastada tootmiskontseptsioonis esinevaid probleeme,“ selgitas Gleiss. „Seega ulatuvad pingutusvardad skeletistruktuuri välispinnalt välja ja me kinnitame süsinikkiud selle südamiku külge märgkiudmähise abil. Pärast seda, kolmandas etapis, painutame iga ühendusvarda pead. Termoplast, seega kasutame lihtsalt kuumust pea ümberkujundamiseks, nii et see lameneb ja lukustub esimesse ümbriskihti. Seejärel jätkame konstruktsiooni uuesti mähimist, nii et lame tõukepea on geomeetriliselt paagi sisse suletud. Laminaat seintel.
Vahekork kerimiseks. TUM kasutab pingutusvarraste otstes plastkatteid, et vältida kiudude sassiminekut niidi kerimise ajal. Pildi autor: Müncheni Tehnikaülikool LCC.
Glace kordas, et see esimene paak oli kontseptsiooni tõestus. „3D-printimise ja liimi kasutamine oli vaid esialgseks testimiseks ja andis meile aimu mõnest probleemist, millega kokku puutusime. Näiteks mähkimise ajal jäid kiud pingutusvarraste otstesse kinni, põhjustades kiudude purunemist ja kahjustumist ning vähendades kiudude hulka, et seda vältida. Selle probleemi lahendamiseks kasutasime tootmisvahenditena mõnda plastkorki, mis asetati postidele enne esimest mähkimisetappi. Seejärel, kui sisemised laminaadid olid valmistatud, eemaldasime need kaitsekorgid ja vormisime postide otsad enne lõplikku mähkimist ümber.“
Meeskond katsetas erinevaid rekonstrueerimisstsenaariume. „Need, kes ringi vaatavad, töötavad kõige paremini,“ ütleb Grace. „Lisaks kasutasime prototüüpimise etapis modifitseeritud keevitustööriista, et kuumutada ja roolivarraste otsi ümber kujundada. Masstootmise kontseptsioonis oleks teil üks suurem tööriist, mis saaks korraga vormida ja vormida kõik tugipostide otsad siseviimistluslaminaadiks.“
Veotiisli pead ümber kujundatud. TUM katsetas erinevaid kontseptsioone ja modifitseeris keevisõmblusi, et joondada komposiitkinnituste otsad paagi seina laminaadiga kinnitamiseks. Pildi autor: „Tootmisprotsessi väljatöötamine kuupmeetriliste surveanumate jaoks tugedega“, Müncheni Tehnikaülikool, Polymers4Hydrogen projekt, ECCM20, juuni 2022.
Seega laminaat kõvendatakse pärast esimest mähkimisetappi, postid vormitakse ümber, TUM viib lõpule hõõgniitide teise mähkimise ja seejärel kõvendatakse paagi välisseina laminaati teist korda. Pange tähele, et see on 5. tüüpi paagi konstruktsioon, mis tähendab, et sellel puudub gaasitõkkena plastvooder. Vaadake allpool jaotist „Järgmised sammud“.
„Lõikasime esimese demo ristlõigeteks ja kaardistasime ühendatud ala,“ ütles Glace. „Lähivaade näitab, et meil oli laminaadiga mõningaid kvaliteediprobleeme, kuna tugipostide pead ei asetunud sisemise laminaadi peal tasaselt.“
Paagi sise- ja välisseina laminaadi vaheliste tühimike probleemide lahendamine. Modifitseeritud ühendusvarda pea loob katsepaagi esimese ja teise keerdu vahele tühimiku. Pildi autor: Müncheni Tehnikaülikool LCC.
See esialgne 450 x 290 x 80 mm paak valmis eelmisel suvel. „Oleme sellest ajast peale palju edusamme teinud, kuid sisemise ja välise laminaadi vahel on endiselt tühimik,“ ütles Glace. „Seega püüdsime need tühimikud täita puhta, kõrge viskoossusega vaiguga. See parandab tegelikult naastude ja laminaadi vahelist ühendust, mis suurendab oluliselt mehaanilist pinget.“
Meeskond jätkas paagi konstruktsiooni ja protsessi väljatöötamist, sealhulgas soovitud mähisemustri lahenduste väljatöötamist. „Katsepaagi küljed ei olnud täielikult painutatud, kuna selle geomeetriaga oli keeruline mähise rada luua,“ selgitas Glace. „Meie esialgne mähisenurk oli 75°, kuid teadsime, et selle surveanuma koormuse rahuldamiseks on vaja mitut vooluringi. Otsime sellele probleemile endiselt lahendust, kuid turul oleva tarkvaraga pole see lihtne. Sellest võib saada järelprojekt.“
„Oleme demonstreerinud selle tootmiskontseptsiooni teostatavust,“ ütleb Gleiss, „kuid peame laminaadi vahelise ühenduse parandamiseks ja tõmbvarraste ümberkujundamiseks edasi töötama. Väline testimine katsemasinal. Tõmbatakse laminaadist välja vahetükid ja testitakse mehaanilisi koormusi, millele need ühendused vastu peavad.“
See osa Polymers4Hydrogen projektist valmib 2023. aasta lõpus ja selleks ajaks loodab Gleis valmis saada ka teise demonstratsioonipaagi. Huvitaval kombel kasutatakse tänapäevastes konstruktsioonides raamis puhtaid tugevdatud termoplasti ja paagi seintes termoreaktiivseid komposiite. Kas seda hübriidlähenemist kasutatakse ka lõplikus demonstratsioonipaagis? „Jah,“ ütles Grace. „Meie partnerid Polymers4Hydrogen projektis arendavad epoksüvaike ja muid komposiitmaterjalist maatriksmaterjale, millel on paremad vesinikutõkke omadused.“ Ta loetleb kaks selle tööga tegelevat partnerit: PCCL ja Tampere Ülikool (Tampere, Soome).
Gleiss ja tema meeskond vahetasid Jaegeriga ka teavet ja arutasid ideid teise HyDDeni projekti kohta, mis on loodud LCC konformsest komposiitpaagist.
„Hakkame uurimisdroonidele konformset komposiitmaterjalist surveanumat tootma,“ ütleb Jaeger. „See on koostöö TUMi lennundus- ja geodeesiaosakonna kahe osakonna – LCC ja helikopteritehnoloogia osakonna (HT) – vahel. Projekt valmib 2024. aasta lõpuks ja praegu viimistleme surveanumat. See on pigem lennundus- ja autotööstusele suunatud disain. Pärast seda esialgset kontseptsiooni etappi on järgmine samm detailse konstruktsioonimodelleerimise teostamine ja seinakonstruktsiooni barjäärivõime ennustamine.“
„Kogu idee on arendada välja uurimusdroon hübriidse kütuseelemendi ja aku jõusüsteemiga,“ jätkas ta. See kasutab akut suure võimsusega koormuste ajal (st õhkutõusmisel ja maandumisel) ning seejärel lülitub kütuseelemendile kerge koormusega lennu ajal. „HT meeskonnal oli juba uurimisdroon olemas ja nad kujundasid jõuülekande ümber, et kasutada nii akusid kui ka kütuseelemente,“ ütles Yeager. „Nad ostsid selle käigukasti testimiseks ka CGH2 paagi.“
„Minu meeskonnale anti ülesandeks ehitada survepaagi prototüüp, mis sobiks, aga mitte silindrilise paagi pakkimisprobleemide tõttu,“ selgitab ta. „Lamedam paak ei paku nii palju tuuletakistust. Seega saavutatakse parem lennuomadus.“ Paagi mõõtmed on umbes 830 x 350 x 173 mm.
Täielikult termoplastilisest AFP-ga ühilduv paak. HyDDeni projekti jaoks uuris TUMi LCC meeskond algselt sarnast lähenemisviisi, mida kasutas Glace (ülal), kuid seejärel läks üle lähenemisviisile, mis kasutab mitme konstruktsioonimooduli kombinatsiooni, mida seejärel AFP-ga (allpool) üle kasutati. Pildi autor: Müncheni Tehnikaülikool LCC.
„Üks idee sarnaneb Elisabeth [Gleissi] lähenemisviisiga,“ ütleb Yager, „rakendada anuma seinale pingutustoed, et kompenseerida suuri painutusjõude. Paagi valmistamiseks aga mähise asemel kasutame AFP-d. Seetõttu mõtlesime surveanuma eraldi sektsiooni loomisele, kuhu riiulid on juba integreeritud. See lähenemisviis võimaldas mul ühendada mitu neist integreeritud moodulitest ja seejärel enne lõplikku AFP-mähistamist paigaldada otsakork, et kõik tihendada.“
„Püüame sellist kontseptsiooni lõpule viia,“ jätkas ta, „ja alustada ka materjalide valiku testimist, mis on väga oluline vajaliku H2 gaasi läbitungimise takistuse tagamiseks. Selleks kasutame peamiselt termoplastmaterjale ja töötame selle kallal, kuidas materjal mõjutab läbitungimist ja töötlemist AFP-masinas. Oluline on mõista, kas töötlemisel on mõju ja kas on vaja järeltöötlust. Samuti tahame teada, kas erinevad korstnad mõjutavad vesiniku läbitungimist läbi surveanuma.“
Paak valmistatakse täielikult termoplastist ja ribad tarnib Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Saksamaa). „Kasutame nende PPS-i [polüfenüleensulfiidi], PEEK-i [polüeeterketoon] ja LM PAEK-i [madala sulamistemperatuuriga polüarüülketoon] materjale,“ ütles Yager. „Seejärel tehakse võrdlusi, et näha, milline neist sobib kõige paremini läbitungimise kaitseks ja parema jõudlusega osade tootmiseks.“ Ta loodab testimise, struktuuri ja protsessi modelleerimise ning esimesed demonstratsioonid järgmise aasta jooksul lõpule viia.
Uurimistöö viidi läbi COMET-mooduli „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) raames Saksamaa Liitvabariigi kliimamuutuste, keskkonna, energeetika, liikuvuse, innovatsiooni ja tehnoloogia ministeeriumi ning Saksamaa Liitvabariigi digitaaltehnoloogia ja majanduse ministeeriumi COMET-programmi raames. Autorid tänavad osalevaid partnereid Polymer Competence Center Leoben GmbH-d (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leobenit (polümeertehnika ja -teaduse teaduskond, polümeermaterjalide keemia osakond, materjaliteaduse ja polümeeride testimise osakond), Tampere Ülikooli (tehnikamaterjalide teaduskond), Peak Technologyt ja Faureciat, kes andsid sellele uurimistööle oma panuse. COMET-moodulit rahastavad Austria valitsus ja Steiermargi liidumaa valitsus.
Kandekonstruktsioonide eelnevalt tugevdatud lehed sisaldavad pidevaid kiude – mitte ainult klaasist, vaid ka süsinikust ja aramiidist.
Komposiitdetailide valmistamiseks on palju viise. Seetõttu sõltub konkreetse detaili meetodi valik materjalist, detaili konstruktsioonist ja lõppkasutusest või rakendusest. Siin on valiku juhend.
Shocker Composites ja R&M International arendavad taaskasutatud süsinikkiust tarneahelat, mis tagab nulltapmise, madalamad kulud kui neitsikiud ja pakub lõpuks pikkusi, mis struktuuriliste omaduste poolest lähenevad pidevale kiule.
Postituse aeg: 15. märts 2023