Tangki platform datar standar untuk BEV dan FCEV menggunakan komposit termoplastik dan termoset dengan konstruksi kerangka yang menyediakan penyimpanan H2 25% lebih banyak.#hidrogen #tren
Setelah kolaborasi dengan BMW menunjukkan bahwa tangki kubik dapat menghasilkan efisiensi volumetrik yang lebih tinggi daripada banyak silinder kecil, Universitas Teknik Munich memulai proyek untuk mengembangkan struktur komposit dan proses manufaktur yang dapat diskalakan untuk produksi serial.Kredit gambar: TU Dresden (kiri atas), Universitas Teknik Munich, Departemen Komposit Karbon (LCC)
Kendaraan listrik sel bahan bakar (FCEV) yang ditenagai oleh hidrogen nol-emisi (H2) memberikan sarana tambahan untuk mencapai target lingkungan nol.Mobil penumpang sel bahan bakar dengan mesin H2 dapat diisi dalam 5-7 menit dan memiliki jarak tempuh 500 km, namun saat ini harganya lebih mahal karena volume produksi yang rendah.Salah satu cara untuk mengurangi biaya adalah dengan menggunakan platform standar untuk model BEV dan FCEV.Hal ini saat ini tidak memungkinkan karena tangki silindris Tipe 4 yang digunakan untuk menyimpan gas H2 terkompresi (CGH2) pada 700 bar di FCEV tidak cocok untuk kompartemen baterai bagian bawah bodi mobil yang telah dirancang dengan hati-hati untuk kendaraan listrik.Namun, bejana tekan dalam bentuk bantal dan kubus dapat masuk ke dalam ruang pengemasan datar ini.
Paten US5577630A untuk “Composite Conformal Pressure Vessel”, aplikasi yang diajukan oleh Thiokol Corp. pada tahun 1995 (kiri) dan bejana tekan persegi panjang yang dipatenkan oleh BMW pada tahun 2009 (kanan).
Departemen Komposit Karbon (LCC) dari Technical University of Munich (TUM, Munich, Jerman) terlibat dalam dua proyek untuk mengembangkan konsep ini.Yang pertama adalah Polymers4Hydrogen (P4H), dipimpin oleh Pusat Kompetensi Polimer Leoben (PCCL, Leoben, Austria).Paket kerja LCC dipimpin oleh Fellow Elizabeth Glace.
Proyek kedua adalah Lingkungan Demonstrasi dan Pengembangan Hidrogen (HyDDen), di mana LCC dipimpin oleh Peneliti Christian Jaeger.Keduanya bertujuan untuk membuat demonstrasi skala besar dari proses manufaktur untuk membuat tangki CGH2 yang cocok menggunakan komposit serat karbon.
Ada efisiensi volumetrik yang terbatas ketika silinder berdiameter kecil dipasang di sel baterai datar (kiri) dan bejana tekan tipe 2 kubik yang terbuat dari liner baja dan cangkang luar komposit serat karbon/epoksi (kanan).Sumber Gambar: Gambar 3 dan 6 berasal dari “Pendekatan Desain Numerik untuk Bejana Kotak Tekanan Tipe II dengan Kaki Tegangan Internal” oleh Ruf dan Zaremba et al.
P4H telah membuat tangki kubus eksperimental yang menggunakan kerangka termoplastik dengan tali/penopang tegangan komposit yang dibungkus dengan epoksi yang diperkuat serat karbon.HyDDen akan menggunakan desain serupa, tetapi akan menggunakan automatic fiber layup (AFP) untuk memproduksi semua tangki komposit termoplastik.
Dari aplikasi paten oleh Thiokol Corp. untuk “Bejana Tekanan Konformal Komposit” pada tahun 1995 hingga Paten Jerman DE19749950C2 pada tahun 1997, bejana gas bertekanan “mungkin memiliki konfigurasi geometris”, tetapi terutama bentuk datar dan tidak beraturan, dalam rongga yang terhubung ke penyangga cangkang .elemen digunakan sehingga mereka dapat menahan kekuatan ekspansi gas.
Sebuah makalah Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) 2006 menjelaskan tiga pendekatan: bejana tekanan konformal luka filamen, bejana tekan mikrolattis yang berisi struktur kisi ortorombik internal (sel kecil 2 cm atau kurang), dikelilingi oleh wadah H2 berdinding tipis, dan wadah replikator, yang terdiri dari struktur bagian dalam yang terdiri dari bagian-bagian kecil yang direkatkan (misalnya, cincin plastik heksagonal) dan komposisi kulit cangkang luar yang tipis.Wadah duplikat paling cocok untuk wadah yang lebih besar di mana metode tradisional mungkin sulit diterapkan.
Paten DE102009057170A yang diajukan oleh Volkswagen pada tahun 2009 menggambarkan bejana tekan yang dipasang di kendaraan yang akan memberikan efisiensi bobot yang tinggi sekaligus meningkatkan pemanfaatan ruang.Tangki persegi panjang menggunakan konektor tegangan antara dua dinding persegi panjang yang berseberangan, dan sudutnya dibulatkan.
Konsep di atas dan lainnya dikutip oleh Gleiss dalam makalah "Pengembangan Proses untuk Kapal Tekanan Kubik dengan Peregangan Batang" oleh Gleiss et al.di ECCM20 (26-30 Juni 2022, Lausanne, Swiss).Dalam artikel ini, dia mengutip studi TUM yang diterbitkan oleh Michael Roof dan Sven Zaremba, yang menemukan bahwa bejana tekan kubik dengan penopang tegangan yang menghubungkan sisi persegi panjang lebih efisien daripada beberapa silinder kecil yang masuk ke dalam ruang baterai datar, menyediakan sekitar 25 % lagi.ruang penyimpanan.
Menurut Gleiss, masalah pemasangan sejumlah besar silinder tipe 4 kecil dalam wadah datar adalah bahwa “volume antar silinder sangat berkurang dan sistem juga memiliki permukaan perembesan gas H2 yang sangat besar.Secara keseluruhan, sistem menyediakan kapasitas penyimpanan yang lebih sedikit daripada stoples kubik.”
Namun, ada masalah lain dengan desain kubik tangki.“Jelas, karena gas terkompresi, Anda perlu menetralkan gaya tekuk pada dinding datar,” kata Gleiss.“Untuk ini, Anda memerlukan struktur yang diperkuat yang menghubungkan secara internal ke dinding tangki.Tapi itu sulit dilakukan dengan komposit.
Glace dan timnya mencoba memasukkan batang penegang penguat ke dalam bejana tekan dengan cara yang sesuai untuk proses penggulungan filamen.“Hal ini penting untuk produksi volume tinggi,” jelasnya, “dan juga memungkinkan kami merancang pola lilitan dinding kontainer untuk mengoptimalkan orientasi serat untuk setiap beban di zona tersebut.”
Empat langkah untuk membuat percobaan tangki komposit kubik untuk proyek P4H.Kredit gambar: “Pengembangan proses produksi untuk bejana tekan kubik dengan penyangga”, Technical University of Munich, proyek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Untuk mencapai on-chain, tim telah mengembangkan konsep baru yang terdiri dari empat langkah utama, seperti yang ditunjukkan di atas.Penopang penegang, ditampilkan dalam warna hitam di anak tangga, adalah struktur rangka prefabrikasi yang dibuat menggunakan metode yang diambil dari proyek MAI Skelett.Untuk proyek ini, BMW mengembangkan "kerangka" rangka kaca depan menggunakan empat batang pultrusion yang diperkuat serat, yang kemudian dicetak menjadi bingkai plastik.
Bingkai tangki kubik eksperimental.Bagian kerangka heksagonal 3D dicetak oleh TUM menggunakan filamen PLA yang tidak diperkuat (atas), memasukkan batang pultrusion CF/PA6 sebagai kawat gigi tegangan (tengah) dan kemudian membungkus filamen di sekitar kawat gigi (bawah).Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
“Idenya adalah Anda dapat membangun kerangka tangki kubik sebagai struktur modular,” kata Glace.“Modul ini kemudian ditempatkan di alat cetakan, penyangga tegangan ditempatkan di modul rangka, dan kemudian metode MAI Skelett digunakan di sekitar penyangga untuk mengintegrasikannya dengan bagian rangka.”metode produksi massal, menghasilkan struktur yang kemudian digunakan sebagai mandrel atau inti untuk membungkus cangkang komposit tangki penyimpanan.
TUM mendesain rangka tangki sebagai "bantalan" kubik dengan sisi padat, sudut membulat, dan pola heksagonal di bagian atas dan bawah tempat ikatan dapat dimasukkan dan dipasang.Lubang untuk rak ini juga dicetak 3D.“Untuk tangki percobaan awal kami, kami mencetak bagian bingkai heksagonal 3D menggunakan asam polilaktat [PLA, termoplastik berbasis bio] karena mudah dan murah,” kata Glace.
Tim membeli 68 batang pultruded carbon fiber reinforced polyamide 6 (PA6) dari SGL Carbon (Meitingen, Jerman) untuk digunakan sebagai pengikat.“Untuk menguji konsepnya, kami tidak melakukan pencetakan apa pun,” kata Gleiss, “tetapi cukup memasukkan spacer ke dalam bingkai inti sarang lebah cetakan 3D dan menempelkannya dengan lem epoksi.Ini kemudian menyediakan mandrel untuk memutar tangki.Dia mencatat bahwa meskipun tongkat ini relatif mudah dililitkan, ada beberapa masalah signifikan yang akan dijelaskan nanti.
“Pada tahap pertama, tujuan kami adalah mendemonstrasikan manufakturabilitas desain dan mengidentifikasi masalah dalam konsep produksi,” jelas Gleiss.“Jadi penyangga tegangan menonjol dari permukaan luar struktur kerangka, dan kami memasang serat karbon ke inti ini menggunakan belitan filamen basah.Setelah itu, pada langkah ketiga, kita membengkokkan kepala masing-masing tie rod.termoplastik, jadi kami hanya menggunakan panas untuk membentuk kembali kepala sehingga rata dan terkunci di lapisan pertama pembungkus.Kami kemudian melanjutkan untuk membungkus struktur lagi sehingga kepala dorong datar tertutup secara geometris di dalam tangki.laminasi di dinding.
Tutup spacer untuk belitan.TUM menggunakan tutup plastik di ujung batang penegang untuk mencegah serat kusut selama gulungan filamen.Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
Glace menegaskan kembali bahwa tangki pertama ini adalah bukti konsep.“Penggunaan pencetakan 3D dan lem hanya untuk pengujian awal dan memberi kami gambaran tentang beberapa masalah yang kami temui.Misalnya, selama penggulungan, filamen tersangkut di ujung batang penegang, menyebabkan kerusakan serat, kerusakan serat, dan mengurangi jumlah serat untuk mengatasi hal ini.kami menggunakan beberapa tutup plastik sebagai alat bantu pembuatan yang ditempatkan pada tiang sebelum langkah penggulungan pertama. Kemudian, saat laminasi internal dibuat, kami melepas tutup pelindung ini dan membentuk kembali ujung tiang sebelum pembungkus akhir.”
Tim bereksperimen dengan berbagai skenario rekonstruksi.“Mereka yang melihat sekeliling bekerja paling baik,” kata Grace.“Selain itu, selama fase pembuatan prototipe, kami menggunakan alat las yang dimodifikasi untuk menerapkan panas dan membentuk kembali ujung tie rod.Dalam konsep produksi massal, Anda akan memiliki satu alat yang lebih besar yang dapat membentuk dan membentuk semua ujung penyangga menjadi laminasi pelapis interior pada saat yang bersamaan..”
Kepala drawbar dibentuk ulang.TUM bereksperimen dengan konsep yang berbeda dan memodifikasi las untuk menyelaraskan ujung ikatan komposit untuk menempel pada laminasi dinding tangki.Kredit gambar: “Pengembangan proses produksi untuk bejana tekan kubik dengan penyangga”, Technical University of Munich, proyek Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Dengan demikian, laminasi disembuhkan setelah langkah penggulungan pertama, tiang dibentuk kembali, TUM menyelesaikan penggulungan filamen kedua, dan kemudian laminasi dinding tangki luar disembuhkan untuk kedua kalinya.Harap dicatat bahwa ini adalah desain tangki tipe 5, yang artinya tidak memiliki lapisan plastik sebagai penahan gas.Lihat pembahasannya di bagian Langkah Selanjutnya di bawah ini.
“Kami memotong demo pertama menjadi beberapa bagian dan memetakan area yang terhubung,” kata Glace."Sebuah close-up menunjukkan bahwa kami memiliki beberapa masalah kualitas dengan laminasi, dengan kepala penyangga tidak rata pada laminasi interior."
Memecahkan masalah dengan celah antara laminasi dinding bagian dalam dan luar tangki.Kepala tie rod yang dimodifikasi menciptakan celah antara belokan pertama dan kedua dari tangki percobaan.Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
Tangki awal 450 x 290 x 80mm ini selesai musim panas lalu.“Kami telah membuat banyak kemajuan sejak saat itu, namun kami masih memiliki celah antara laminasi interior dan eksterior,” kata Glace.“Jadi kami mencoba mengisi celah tersebut dengan resin yang bersih dan berviskositas tinggi.Ini benar-benar meningkatkan hubungan antara tiang dan laminasi, yang sangat meningkatkan tekanan mekanis.”
Tim terus mengembangkan desain dan proses tangki, termasuk solusi untuk pola belitan yang diinginkan.“Sisi tangki uji tidak sepenuhnya melengkung karena geometri ini sulit membuat jalur berliku,” jelas Glace.“Sudut lilitan awal kami adalah 75°, tetapi kami tahu bahwa beberapa sirkuit diperlukan untuk memenuhi beban di bejana tekan ini.Kami masih mencari solusi untuk masalah ini, tetapi tidak mudah dengan perangkat lunak yang ada di pasaran saat ini.Ini mungkin menjadi proyek tindak lanjut.
“Kami telah menunjukkan kelayakan konsep produksi ini,” kata Gleiss, “namun kami perlu bekerja lebih jauh untuk meningkatkan hubungan antara laminasi dan membentuk kembali tie rod.“Pengujian eksternal pada mesin penguji.Anda menarik spacer dari laminasi dan menguji beban mekanis yang dapat ditahan oleh sambungan tersebut.
Bagian dari proyek Polymers4Hydrogen ini akan selesai pada akhir tahun 2023, saat Gleis berharap dapat menyelesaikan tangki demonstrasi kedua.Menariknya, desain saat ini menggunakan termoplastik yang diperkuat rapi di rangka dan komposit termoset di dinding tangki.Apakah pendekatan hibrida ini akan digunakan dalam tangki demonstrasi akhir?"Ya," kata Grace.“Mitra kami dalam proyek Polymers4Hydrogen sedang mengembangkan resin epoksi dan bahan matriks komposit lainnya dengan sifat penghalang hidrogen yang lebih baik.”Dia mencantumkan dua mitra yang mengerjakan pekerjaan ini, PCCL dan University of Tampere (Tampere, Finlandia).
Gleiss dan timnya juga bertukar informasi dan berdiskusi dengan Jaeger tentang proyek HyDDen kedua dari tangki komposit konformal LCC.
“Kami akan memproduksi bejana tekan komposit konformal untuk drone penelitian,” kata Jaeger.“Ini merupakan kerjasama antara dua departemen yaitu Departemen Dirgantara dan Geodesi TUM – LCC dan Departemen Teknologi Helikopter (HT).Proyek ini akan selesai pada akhir tahun 2024 dan saat ini kami sedang menyelesaikan bejana tekan.desain yang lebih merupakan pendekatan kedirgantaraan dan otomotif.Setelah tahap konsep awal ini, langkah selanjutnya adalah melakukan pemodelan struktural terperinci dan memprediksi kinerja penghalang dari struktur dinding.”
“Ide keseluruhannya adalah untuk mengembangkan drone eksplorasi dengan sel bahan bakar hibrida dan sistem propulsi baterai,” lanjutnya.Ini akan menggunakan baterai selama beban daya tinggi (yaitu lepas landas dan mendarat) dan kemudian beralih ke sel bahan bakar selama jelajah beban ringan.“Tim HT sudah memiliki drone penelitian dan mendesain ulang powertrain untuk menggunakan baterai dan sel bahan bakar,” kata Yeager.“Mereka juga membeli tangki CGH2 untuk menguji transmisi ini.”
“Tim saya ditugaskan untuk membuat prototipe tangki tekanan yang sesuai, tetapi bukan karena masalah pengemasan yang akan dibuat oleh tangki silinder,” jelasnya.“Tangki yang lebih rata tidak menawarkan banyak hambatan angin.Jadi, Anda mendapatkan kinerja penerbangan yang lebih baik.”Dimensi tangki kira-kira.830x350x173 mm.
Tangki yang memenuhi standar AFP termoplastik sepenuhnya.Untuk proyek HyDDen, tim LCC di TUM awalnya mengeksplorasi pendekatan serupa dengan yang digunakan oleh Glace (atas), tetapi kemudian beralih ke pendekatan menggunakan kombinasi beberapa modul struktural, yang kemudian digunakan secara berlebihan menggunakan AFP (bawah).Kredit gambar: Universitas Teknik Munich LCC.
“Satu ide mirip dengan pendekatan Elisabeth [Gleiss],” kata Yager, “untuk menerapkan penyangga tegangan ke dinding bejana untuk mengkompensasi gaya lentur yang tinggi.Namun, alih-alih menggunakan proses penggulungan untuk membuat tangki, kami menggunakan AFP.Oleh karena itu, kami berpikir untuk membuat bagian terpisah dari bejana tekan, di mana rak sudah terintegrasi.Pendekatan ini memungkinkan saya menggabungkan beberapa modul terintegrasi ini dan kemudian menerapkan penutup ujung untuk menyegel semuanya sebelum putaran AFP terakhir.”
“Kami sedang mencoba untuk menyelesaikan konsep seperti itu,” lanjutnya, “dan juga mulai menguji pemilihan material, yang sangat penting untuk memastikan ketahanan yang diperlukan terhadap penetrasi gas H2.Untuk ini, kami terutama menggunakan bahan termoplastik dan sedang mengerjakan berbagai cara bahan tersebut akan memengaruhi perilaku perembesan dan pemrosesan di mesin AFP.Penting untuk dipahami apakah perawatan akan memberikan efek dan jika diperlukan pasca-pemrosesan.Kami juga ingin tahu apakah tumpukan yang berbeda akan memengaruhi perembesan hidrogen melalui bejana tekan.”
Tangki akan seluruhnya terbuat dari termoplastik dan strip akan dipasok oleh Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Jerman).“Kami akan menggunakan bahan PPS [polifenilen sulfida], PEEK [polieter keton], dan LM PAEK [poliaril keton leleh rendah],” kata Yager.“Perbandingan kemudian dilakukan untuk melihat mana yang terbaik untuk perlindungan penetrasi dan menghasilkan suku cadang dengan kinerja yang lebih baik.”Dia berharap untuk menyelesaikan pengujian, pemodelan struktural dan proses serta demonstrasi pertama dalam tahun depan.
Pekerjaan penelitian dilakukan dalam modul COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) dalam program COMET dari Kementerian Federal untuk Perubahan Iklim, Lingkungan, Energi, Mobilitas, Inovasi dan Teknologi dan Kementerian Federal untuk Teknologi Digital dan Ekonomi..Penulis berterima kasih kepada mitra yang berpartisipasi Pusat Kompetensi Polimer Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Fakultas Teknik dan Sains Polimer, Departemen Kimia Bahan Polimer, Departemen Ilmu Material dan Pengujian Polimer), University of Tampere (Fakultas Teknik Bahan).) Sains), Teknologi Puncak dan Faurecia berkontribusi pada pekerjaan penelitian ini.COMET-Modul didanai oleh pemerintah Austria dan pemerintah negara bagian Styria.
Lembaran pra-reinforced untuk struktur penahan beban mengandung serat kontinu – tidak hanya dari kaca, tetapi juga dari karbon dan aramid.
Ada banyak cara untuk membuat komponen komposit.Oleh karena itu, pemilihan metode untuk part tertentu akan bergantung pada material, desain part, dan penggunaan atau aplikasi akhir.Berikut panduan pemilihannya.
Shocker Composites dan R&M International sedang mengembangkan rantai pasokan serat karbon daur ulang yang menyediakan pembantaian nol, biaya lebih rendah daripada serat murni dan pada akhirnya akan menawarkan panjang yang mendekati serat kontinu dalam sifat struktural.
Waktu posting: Mar-15-2023