Tank estanda platfòm plat pou BEV ak FCEV yo itilize konpoze tèrmoplastik ak tèrmoset ak yon konstriksyon skelèt ki bay 25% plis depo H2. #idwojèn #tandans
Apre yon kolaborasyon avèk BMW te montre ke yon tank kib te kapab bay pi gwo efikasite volimik pase plizyè ti silenn, Inivèsite Teknik Minik la te lanse yon pwojè pou devlope yon estrikti konpoze ak yon pwosesis fabrikasyon évolutif pou pwodiksyon an seri. Kredi imaj: TU Dresden (anlè) agoch), Inivèsite Teknik Minik, Depatman Konpoze Kabòn (LCC)
Machin elektrik ki mache ak pil konbistib (FCEV) ki mache ak idwojèn ki pa emèt okenn gaz (H2) bay plis mwayen pou atenn objektif anviwònman ki pa egziste. Yon machin pasaje ki mache ak pil konbistib ak yon motè H2 ka ranpli nan 5-7 minit epi li gen yon otonomi 500 km, men kounye a li pi chè akòz ti volim pwodiksyon li yo. Yon fason pou diminye depans se sèvi ak yon platfòm estanda pou modèl BEV ak FCEV yo. Sa pa posib kounye a paske tank silendrik Tip 4 yo itilize pou estoke gaz H2 konprese (CGH2) a 700 bar nan FCEV yo pa apwopriye pou konpatiman batri anba chasi a ki te fèt ak anpil atansyon pou machin elektrik yo. Sepandan, veso presyon sou fòm zòrye ak kib ka anfòm nan espas anbalaj plat sa a.
Patant US5577630A pou "Composite Conformal Pressure Vessel", aplikasyon depoze pa Thiokol Corp. an 1995 (agoch) ak veso presyon rektangilè ki te patante pa BMW an 2009 (adwat).
Depatman Konpozit Kabòn (LCC) nan Inivèsite Teknik Minik (TUM, Minik, Almay) patisipe nan de pwojè pou devlope konsèp sa a. Premye a se Polymers4Hydrogen (P4H), dirije pa Sant Konpetans Polimè Leoben (PCCL, Leoben, Otrich). Pake travay LCC a dirije pa chèchè Elizabeth Glace.
Dezyèm pwojè a se Anviwònman Demonstrasyon ak Devlopman Idwojèn (HyDDen), kote Chèchè Christian Jaeger dirije LCC. Toulede vize kreye yon demonstrasyon gran echèl sou pwosesis fabrikasyon pou fè yon tank CGH2 apwopriye lè l sèvi avèk konpoze fib kabòn.
Gen yon efikasite volimik limite lè yo enstale silenn ki gen ti dyamèt nan selil batri plat (agoch) ak veso presyon kib tip 2 ki fèt ak revètman asye ak yon koki ekstèn konpoze fib kabòn/epoksi (adwat). Sous Imaj: Figi 3 ak 6 yo soti nan "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" pa Ruf ak Zaremba et al.
P4H fabrike yon tank kib eksperimantal ki itilize yon ankadreman termoplastik ak espageti/antre tansyon konpoze vlope nan epoksi ranfòse ak fib kabòn. HyDDen pral itilize yon konsepsyon menm jan an, men li pral itilize kouch fib otomatik (AFP) pou fabrike tout tank konpoze termoplastik yo.
Soti nan yon aplikasyon patant pa Thiokol Corp. pou "Composite Conformal Pressure Vessel" an 1995 rive nan patant Alman DE19749950C2 an 1997, veso gaz konprese yo "ka gen nenpòt konfigirasyon jeyometrik", men sitou fòm plat ak iregilye, nan yon kavite ki konekte ak sipò koki a. Eleman yo itilize pou yo ka reziste fòs ekspansyon gaz la.
Yon atik Laboratwa Nasyonal Lawrence Livermore (LLNL) an 2006 dekri twa apwòch: yon veso presyon konfòm ak filaman ki vlope, yon veso presyon mikworezo ki gen yon estrikti rezo ortorombik entèn (ti selil 2 cm oswa mwens), ki antoure pa yon veso H2 ki gen mi mens, ak yon veso replikatè, ki gen yon estrikti entèn ki gen ti pati kole (pa egzanp, bag plastik egzagonal) ak yon konpozisyon po ekstèn mens. Veso kopi yo pi byen adapte pou pi gwo veso kote metòd tradisyonèl yo ka difisil pou aplike.
Patant DE102009057170A Volkswagen te depoze an 2009 la dekri yon veso presyon ki monte sou yon machin ki pral bay yon gwo efikasite pwa pandan y ap amelyore itilizasyon espas. Tank rektangilè yo itilize konektè tansyon ant de mi rektangilè opoze, epi kwen yo awondi.
Gleiss site konsèp ki anwo yo ak lòt konsèp ankò nan atik "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" pa Gleiss et al. nan ECCM20 (26-30 jen 2022, Lausanne, Swis). Nan atik sa a, li site yon etid TUM pibliye pa Michael Roof ak Sven Zaremba, ki te jwenn ke yon veso presyon kib ak sipò tansyon ki konekte kote rektangilè yo pi efikas pase plizyè ti silenn ki anfòm nan espas yon batri plat, sa ki bay apeprè 25% plis espas depo.
Dapre Gleiss, pwoblèm ki genyen ak enstalasyon yon gwo kantite ti silenn tip 4 nan yon bwat plat se ke "volim ki genyen ant silenn yo redwi anpil epi sistèm nan genyen tou yon sifas pèmeyasyon gaz H2 ki gwo anpil. An jeneral, sistèm nan bay mwens kapasite depo pase bokal kib yo."
Sepandan, gen lòt pwoblèm ak konsepsyon kib tank la. "Li evidan, akòz gaz konprese a, ou bezwen konbat fòs koube yo sou mi plat yo," Gleiss te di. "Pou sa, ou bezwen yon estrikti ranfòse ki konekte anndan ak mi tank la. Men, sa difisil pou fè ak konpoze."
Glace ak ekip li a te eseye enkòpore ba tansyon ranfòsman nan veso presyon an nan yon fason ki t ap apwopriye pou pwosesis bobin filaman an. "Sa enpòtan pou pwodiksyon an gwo volim," li eksplike, "epi li pèmèt nou tou desine modèl bobin mi veso yo pou optimize oryantasyon fib pou chak chaj nan zòn nan."
Kat etap pou fè yon tank konpoze kib pou esè pou pwojè P4H la. Kredi imaj: “Devlopman yon pwosesis pwodiksyon pou veso presyon kib ak sipò”, Inivèsite Teknik Minik, pwojè Polymers4Hydrogen, ECCM20, jen 2022.
Pou reyalize "on-chain" lan, ekip la devlope yon nouvo konsèp ki gen kat etap prensipal, jan yo montre pi wo a. Antèn tansyon yo, ki montre an nwa sou etap yo, se yon estrikti ankadreman prefabrike ki fabrike lè l sèvi avèk metòd ki soti nan pwojè MAI Skelett la. Pou pwojè sa a, BMW devlope yon "kad" ankadreman pou parebriz lè l sèvi avèk kat baton pultrusion ranfòse ak fib, ki te answit moule nan yon ankadreman plastik.
Ankadreman yon tank kib eksperimantal. Seksyon skelèt egzagonal enprime an 3D pa TUM lè l sèvi avèk filaman PLA san ranfòse (anlè), mete baton pultrusion CF/PA6 kòm sipò tansyon (nan mitan) epi answit vlope filaman an otou sipò yo (anba). Kredi imaj: Inivèsite Teknik Minik LCC.
“Lide a se pou ou ka konstwi ankadreman yon tank kib kòm yon estrikti modilè,” Glace te di. “Apre sa, yo mete modil sa yo nan yon zouti bòdi, yo mete sipò tansyon yo nan modil ankadreman yo, epi answit yo itilize metòd MAI Skelett la alantou sipò yo pou entegre yo ak pati ankadreman yo.” metòd pwodiksyon an mas, sa ki bay yon estrikti ke yo itilize apre sa kòm yon mandren oswa yon nwayo pou vlope kokiy konpoze tank depo a.
TUM te konsevwa ankadreman tank la kòm yon "kousen" kib ak kote solid, kwen awondi ak yon modèl egzagonal sou tèt ak anba pou yo ka mete epi tache kranpon yo. Twou pou etajè sa yo te enprime an 3D tou. "Pou premye tank eksperimantal nou an, nou te enprime an 3D seksyon ankadreman egzagonal lè l sèvi avèk asid polilaktik [PLA, yon termoplastik ki baze sou byo] paske li te fasil e bon mache," Glace te di.
Ekip la te achte 68 baton poliamid 6 (PA6) ranfòse ak fib kabòn pultruded nan men SGL Carbon (Meitingen, Almay) pou itilize kòm lyen. "Pou teste konsèp la, nou pa t fè okenn bòdi," Gleiss di, "men nou te tou senpleman mete espasè nan yon ankadreman nwayo siwo myèl enprime 3D epi nou te kole yo ak lakòl epoksi. Sa a bay yon mandrin pou vlope tank la." Li fè remake ke byenke baton sa yo relativman fasil pou vlope, gen kèk pwoblèm enpòtan ke yo pral dekri pita.
“Nan premye etap la, objektif nou sete demontre fabrikasyon konsepsyon an epi idantifye pwoblèm nan konsèp pwodiksyon an,” Gleiss eksplike. “Kidonk, tansyon yo soti nan sifas ekstèn estrikti skelèt la, epi nou tache fib kabòn yo nan nwayo sa a lè l sèvi avèk bobin filaman mouye. Apre sa, nan twazyèm etap la, nou pliye tèt chak tij lyen. Tèmoplastik, kidonk nou jis itilize chalè pou chanje fòm tèt la pou l aplati epi bloke nan premye kouch vlope a. Apre sa, nou kontinye vlope estrikti a ankò pou tèt pouse plat la fèmen jewometrikman nan tank la. Plastifye sou mi yo.”
Bouchon espas pou bobinaj. TUM itilize bouchon plastik nan pwent baton tansyon yo pou anpeche fib yo mele pandan bobinaj filaman an. Kredi imaj: Inivèsite Teknik Minik LCC.
Glace te repete ke premye tank sa a te yon prèv konsèp. "Itilizasyon enprime 3D ak lakòl te sèlman pou premye tès yo e li te ban nou yon lide sou kèk nan pwoblèm nou te rankontre yo. Pa egzanp, pandan bobinaj la, filaman yo te bloke pa pwent baton tansyon yo, sa ki te lakòz fib kase, domaje fib, epi diminye kantite fib pou konbat sa. Nou te itilize kèk bouchon plastik kòm èd fabrikasyon ke nou te mete sou poto yo anvan premye etap bobinaj la. Apre sa, lè nou te fè laminasyon entèn yo, nou te retire bouchon pwoteksyon sa yo epi nou te chanje fòm pwent poto yo anvan anbalaj final la."
Ekip la te fè eksperyans ak plizyè senaryo rekonstriksyon. “Moun ki gade toutotou yo travay pi byen,” Grace di. “Epitou, pandan faz prototipaj la, nou te itilize yon zouti soude modifye pou aplike chalè epi chanje fòm bout tij koneksyon yo. Nan yon konsèp pwodiksyon an mas, ou ta gen yon zouti ki pi gwo ki ka fòme tout bout tij koneksyon yo an yon laminasyon fini enteryè an menm tan.”
Tèt ba remorkaj yo te chanje fòm. TUM te fè eksperyans ak diferan konsèp epi modifye soudi yo pou aliyen bout lyen konpoze yo pou tache ak laminasyon miray tank la. Kredi imaj: "Devlopman yon pwosesis pwodiksyon pou veso presyon kib ak sipò", Inivèsite Teknik Minik, pwojè Polymers4Hydrogen, ECCM20, jen 2022.
Konsa, laminasyon an geri apre premye etap anroulaj la, poto yo chanje fòm, TUM a konplete dezyèm anroulaj filaman yo, epi answit laminasyon miray ekstèn tank la geri yon dezyèm fwa. Tanpri note ke sa a se yon konsepsyon tank tip 5, ki vle di li pa gen yon revètman plastik kòm yon baryè gaz. Gade diskisyon an nan seksyon Pwochen Etap yo anba a.
“Nou te koupe premye demonstrasyon an an seksyon kwa epi nou te trase zòn ki konekte a,” Glace te di. “Yon plan sere montre ke nou te gen kèk pwoblèm kalite ak laminasyon an, ak tèt sipò yo ki pa t ap kouche plat sou laminasyon enteryè a.”
Rezoud pwoblèm ak espas ant laminasyon mi enteryè ak ekstèn tank la. Tèt tij koneksyon modifye a kreye yon espas ant premye ak dezyèm vire tank eksperimantal la. Kredi imaj: Inivèsite Teknik Minik LCC.
Yo te fini premye tank 450 x 290 x 80mm sa a ete pase a. “Nou fè anpil pwogrè depi lè sa a, men nou toujou gen yon espas ant laminasyon enteryè ak ekstèn lan,” Glace te di. “Kidonk nou te eseye ranpli espas sa yo ak yon résine pwòp ki gen gwo viskozite. Sa a aktyèlman amelyore koneksyon ant poto yo ak laminasyon an, sa ki ogmante estrès mekanik la anpil.”
Ekip la te kontinye devlope konsepsyon ak pwosesis tank la, ki gen ladan solisyon pou modèl anroulaj ki te vle a. “Kote tank tès la pa t konplètman pliye paske li te difisil pou jeyometri sa a kreye yon chemen anroulaj,” Glace te eksplike. “Ang anroulaj inisyal nou an te 75°, men nou te konnen plizyè sikwi te nesesè pou satisfè chaj ki nan veso presyon sa a. Nou toujou ap chèche yon solisyon pou pwoblèm sa a, men li pa fasil ak lojisyèl ki sou mache a kounye a. Li ka vin tounen yon pwojè swivi.”
“Nou demontre posibilite pou konsèp pwodiksyon sa a,” Gleiss di, “men nou bezwen travay pi lwen pou amelyore koneksyon ki genyen ant laminasyon an epi chanje fòm tij lyen yo. “Tès ekstèn sou yon machin tès. Ou rale espasè yo soti nan laminasyon an epi teste chay mekanik ke jwenti sa yo ka sipòte.”
Pati sa a nan pwojè Polymers4Hydrogen an ap fini nan fen 2023, lè sa a Gleis espere fini dezyèm tank demonstrasyon an. Sa ki enteresan, jodi a, konsepsyon yo itilize tèrmoplastik ranfòse nan ankadreman an ak konpoze tèmoseuz nan mi tank yo. Èske yo pral itilize apwòch ibrid sa a nan tank demonstrasyon final la? "Wi," Grace te di. "Patnè nou yo nan pwojè Polymers4Hydrogen an ap devlope rezin epoksi ak lòt materyèl matris konpoze ki gen pi bon pwopriyete baryè idwojèn." Li site de patnè k ap travay sou travay sa a, PCCL ak Inivèsite Tampere (Tampere, Fenlann).
Gleiss ak ekip li a te echanje enfòmasyon epi diskite lide ak Jaeger sou dezyèm pwojè HyDDen ki soti nan tank konpoze konfòm LCC la.
“Nou pral pwodui yon veso presyon konpoze konfòm pou dron rechèch,” Jaeger di. “Sa a se yon kolaborasyon ant de depatman Depatman Ayewospasyal ak Jeodezik TUM – LCC ak Depatman Teknoloji Elikoptè (HT). Pwojè a ap fini nan fen 2024 epi kounye a n ap fini veso presyon an. Yon konsepsyon ki plis sanble ak yon apwòch ayewospasyal ak otomobil. Apre etap konsèp inisyal sa a, pwochen etap la se fè modèl estriktirèl detaye epi predi pèfòmans baryè estrikti miray la.”
“Tout lide a se pou devlope yon dron eksploratwa ak yon sistèm pwopilsyon ibrid ak pil konbistib,” li te kontinye. Li pral itilize pil la pandan chaj gwo pouvwa (tankou dekolaj ak aterisaj) epi answit chanje pou itilize pil konbistib la pandan vòl ak chaj lejè. “Ekip HT a te deja gen yon dron rechèch epi yo te reamenaje sistèm transmisyon an pou itilize tou de pil ak pil konbistib,” Yeager te di. “Yo te achte tou yon tank CGH2 pou teste transmisyon sa a.”
“Ekip mwen an te gen pou l konstwi yon pwototip tank presyon ki t ap anfòm, men se pa poutèt pwoblèm anbalaj yon tank silendrik t ap kreye,” li eksplike. “Yon tank ki pi plat pa ofri otan rezistans kont van. Kidonk, ou jwenn pi bon pèfòmans vòl.” Dimansyon tank la se anviwon 830 x 350 x 173 mm.
Tank ki konfòm nèt ak AFP ki fèt ak tèrmoplastik. Pou pwojè HyDDen an, ekip LCC nan TUM nan kòmansman te eksplore yon apwòch menm jan ak sa Glace te itilize a (anwo a), men apre sa li te adopte yon apwòch ki itilize yon konbinezon plizyè modil estriktirèl, ke yo te itilize twòp lè l sèvi avèk AFP (anba a). Kredi imaj: Technical University of Munich LCC.
“Yon lide sanble ak apwòch Elisabeth [Gleiss] la,” Yager di, “pou aplike sipò tansyon sou miray veso a pou konpanse pou gwo fòs koube yo. Sepandan, olye pou nou itilize yon pwosesis bobin pou fè tank la, nou itilize AFP. Se poutèt sa, nou te panse kreye yon seksyon apa nan veso presyon an, kote etajè yo deja entegre. Apwòch sa a te pèmèt mwen konbine plizyè nan modil entegre sa yo epi aplike yon bouchon nan fen pou sele tout bagay anvan bobin final AFP a.”
“N ap eseye finalize yon konsèp konsa,” li te kontinye, “epi tou kòmanse teste seleksyon materyèl yo, ki trè enpòtan pou asire rezistans ki nesesè a pénétration gaz H2. Pou sa, nou sitou itilize materyèl tèrmoplastik epi n ap travay sou divès fason materyèl la pral afekte konpòtman pèmeyasyon sa a ak pwosesis nan machin AFP a. Li enpòtan pou konprann si tretman an pral gen yon efè epi si nenpòt pòs-pwosesis nesesè. Nou vle konnen tou si diferan chemine pral afekte pèmeyasyon idwojèn nan veso presyon an.”
Tank la pral fèt antyèman ak tèrmoplastik epi Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Almay) pral founi bann yo. "Nou pral itilize materyèl PPS [polifenilèn silfid], PEEK [polietè ketòn] ak LM PAEK [poliaril ketòn ki fonn ba] yo," Yager te di. "Apre sa, yo fè konparezon pou wè kilès ki pi bon pou pwoteksyon kont penetrasyon epi pou pwodui pyès ki gen pi bon pèfòmans." Li espere fini tès yo, modèl estriktirèl ak pwosesis yo epi premye demonstrasyon yo nan ane k ap vini an.
Travay rechèch la te fèt nan kad modil COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) nan kad pwogram COMET Ministè Federal pou Chanjman Klima, Anviwònman, Enèji, Mobilite, Inovasyon ak Teknoloji ansanm ak Ministè Federal pou Teknoloji ak Ekonomi Dijital. Otè yo remèsye patnè patisipan yo tankou Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Otrich), Montanuniversitaet Leoben (Fakilte Jeni ak Syans Polymè, Depatman Chimi Materyèl Polymè, Depatman Syans Materyèl ak Tès Polymè), Inivèsite Tampere (Fakilte Jeni Materyèl), Peak Technology ak Faurecia ki te kontribye nan travay rechèch sa a. COMET-Modil finanse pa gouvènman Otrich ak gouvènman eta Styria.
Fèy pre-ranfòse pou estrikti ki pote chay yo gen fib kontinyèl - pa sèlman ki soti nan vè, men tou ki soti nan kabòn ak aramid.
Gen plizyè fason pou fè pyès konpoze. Se poutèt sa, chwa metòd pou yon pyès an patikilye ap depann de materyèl la, konsepsyon pyès la, ak itilizasyon final la oswa aplikasyon an. Men yon gid seleksyon.
Shocker Composites ak R&M International ap devlope yon chèn ekipman pou fib kabòn resikle ki pèmèt pa gen okenn abati, pi ba pri pase fib vyèj epi ki pral evantyèlman ofri longè ki apwoche fib kontinyèl nan pwopriyete estriktirèl.
Dat piblikasyon: 15 Mas 2023