האוניברסיטה הטכנית של מינכן מפתחת מיכלי קובי קונפורמליים המשתמשים בסיבי פחמן מרוכבים כדי להגדיל את אחסון המימן | עולם המרוכבים

מיכלי פלטפורמה שטוחה סטנדרטיים עבור כלי רכב חשמליים (BEVs) ורכבי גז דלק (FCEVs) משתמשים בחומרים מרוכבים תרמופלסטיים ותרמוסטיים עם מבנה שלד המספק 25% יותר אחסון H2. #מימן #מגמות
לאחר ששיתוף פעולה עם BMW הראה כי מיכל קובי יכול לספק יעילות נפחית גבוהה יותר מאשר מספר צילינדרים קטנים, האוניברסיטה הטכנית של מינכן החלה בפרויקט לפיתוח מבנה מרוכב ותהליך ייצור ניתן להרחבה לייצור סדרתי. קרדיט תמונה: TU Dresden (למעלה משמאל), האוניברסיטה הטכנית של מינכן, המחלקה לחומרים מרוכבים פחמניים (LCC)
כלי רכב חשמליים המונעים על ידי מימן ללא פליטות (H2) מספקים אמצעים נוספים להשגת אפס יעדים סביבתיים. מכונית נוסעים המונעת על ידי תאי דלק עם מנוע H2 ניתנת למילוי תוך 5-7 דקות ויש לה טווח נסיעה של 500 ק"מ, אך כיום היא יקרה יותר עקב נפחי ייצור נמוכים. דרך אחת להפחית עלויות היא להשתמש בפלטפורמה סטנדרטית עבור דגמי BEV ו-FCEV. נכון לעכשיו, הדבר אינו אפשרי מכיוון שמיכלי הגליל מסוג 4 המשמשים לאחסון גז H2 דחוס (CGH2) בלחץ של 700 בר ב-FCEV אינם מתאימים לתאי הסוללה בתחתית המרכב שתוכננו בקפידה עבור כלי רכב חשמליים. עם זאת, מכלי לחץ בצורת כריות וקוביות יכולים להתאים לחלל אריזה שטוח זה.
פטנט US5577630A עבור "כלי לחץ קונפורמי מרוכב", בקשה שהוגשה על ידי Thiokol Corp. בשנת 1995 (משמאל) וכלי הלחץ המלבני שרשם פטנט על ידי BMW בשנת 2009 (מימין).
המחלקה לחומרים מרוכבים פחמניים (LCC) של האוניברסיטה הטכנית של מינכן (TUM, מינכן, גרמניה) מעורבת בשני פרויקטים לפיתוח קונספט זה. הראשון הוא Polymers4Hydrogen (P4H), בראשות מרכז הכישורים של פולימרים של לאובן (PCCL, לאובן, אוסטריה). חבילת העבודה של LCC בראשות עמיתת המחקר אליזבת גלייס.
הפרויקט השני הוא סביבת הדגמה ופיתוח של מימן (HyDDen), בה מוביל החוקר כריסטיאן יגר את תחום ה-LCC. שניהם שואפים ליצור הדגמה בקנה מידה גדול של תהליך הייצור לייצור מיכל CGH2 מתאים באמצעות חומרים מרוכבים מסיבי פחמן.
ישנה יעילות נפחית מוגבלת כאשר מותקנים צילינדרים בקוטר קטן בתאי סוללה שטוחים (משמאל) ובמיכלי לחץ מעוקבים מסוג 2 העשויים בטנות פלדה ומעטפת חיצונית מרוכבת מסיבי פחמן/אפוקסי (מימין). מקור תמונה: איורים 3 ו-6 הם מתוך "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" מאת רוף וזארמבה ואחרים.
P4H ייצרה מיכל קובייה ניסיוני המשתמש במסגרת תרמופלסטית עם רצועות/תמוכות מתיחה מרוכבות עטופות באפוקסי מחוזק בסיבי פחמן. HyDDen תשתמש בעיצוב דומה, אך תשתמש בהנחת סיבים אוטומטית (AFP) כדי לייצר את כל המיכלי התרמופלסטיים המרוכבים.
מבקשת פטנט של חברת Thiokol Corp. ל"כלי לחץ קונפורמלי מרוכב" בשנת 1995 ועד לפטנט הגרמני DE19749950C2 בשנת 1997, מכלי גז דחוס "יכולים להיות בעלי כל תצורה גיאומטרית", אך במיוחד צורות שטוחות ולא סדירות, בחלל המחובר לתמיכה של הקליפה. נעשה שימוש באלמנטים כדי שיוכלו לעמוד בכוח ההתפשטות של הגז.
מאמר של המעבדה הלאומית לורנס ליברמור (LLNL) משנת 2006 מתאר שלוש גישות: כלי לחץ קונפורמי מלופף פילמנט, כלי לחץ מיקרו-סריג המכיל מבנה סריג אורתורומבי פנימי (תאים קטנים של 2 ס"מ או פחות), מוקף במיכל H2 בעל דופן דקה, ומיכל משכפל, המורכב ממבנה פנימי המורכב מחלקים קטנים מודבקים (למשל, טבעות פלסטיק משושות) והרכב של קליפה חיצונית דקה. מיכלי שכפול מתאימים ביותר למיכלים גדולים יותר שבהם שיטות מסורתיות עשויות להיות קשות ליישום.
פטנט DE102009057170A שהוגש על ידי פולקסווגן בשנת 2009 מתאר כלי לחץ המותקן ברכב, אשר יספק יעילות משקל גבוהה תוך שיפור ניצול החלל. מיכלים מלבניים משתמשים במחברי מתח בין שני קירות מלבניים מנוגדים, והפינות מעוגלות.
את המושגים הנ"ל ואחרים מצוטטים גלייס במאמר "פיתוח תהליכים עבור כלי לחץ מעוקבים עם מוטות מתיחה" מאת גלייס ואחרים בכנס ECCM20 (26-30 ביוני, 2022, לוזאן, שוויץ). במאמר זה, היא מצטטת מחקר של TUM שפורסם על ידי מייקל רוף וסוון זארמבה, שמצא כי כלי לחץ מעוקב עם תמוכות מתיחה המחברות צדדים מלבניים יעיל יותר מכמה צילינדרים קטנים שנכנסים לחלל של סוללה שטוחה, ומספקים כ-25% יותר שטח אחסון.
לדברי גלייס, הבעיה בהתקנת מספר רב של צילינדרים קטנים מסוג 4 במארז שטוח היא ש"הנפח בין הצילינדרים מצטמצם מאוד ולמערכת יש גם משטח חדירת גז H2 גדול מאוד. בסך הכל, המערכת מספקת קיבולת אחסון פחותה מאשר צנצנות קובייות."
עם זאת, ישנן בעיות נוספות בעיצוב הקובי של המיכל. "ברור שבגלל הגז הדחוס, צריך לנטרל את כוחות הכיפוף על הדפנות השטוחות", אמר גלייס. "לשם כך, צריך מבנה מחוזק שמתחבר פנימית לדפנות המיכל. אבל קשה לעשות זאת עם חומרים מרוכבים."
גלייס וצוותה ניסו לשלב מוטות חיזוק במיכל הלחץ באופן שיתאים לתהליך ליפוף הסיבים. "זה חשוב לייצור בנפח גבוה", היא מסבירה, "וגם מאפשר לנו לתכנן את דפוס הליפוף של דפנות המיכל כדי לייעל את כיוון הסיבים עבור כל עומס באזור."
ארבעה שלבים לייצור מיכל מרוכב קובני לניסיון עבור פרויקט P4H. קרדיט תמונה: "פיתוח תהליך ייצור עבור מיכלי לחץ קובניים עם תומך", האוניברסיטה הטכנית של מינכן, פרויקט Polymers4Hydrogen, ECCM20, יוני 2022.
כדי להשיג חיבור על השרשרת, הצוות פיתח קונספט חדש המורכב מארבעה שלבים עיקריים, כפי שמוצג לעיל. תמוכות המתיחה, המוצגות בשחור על השלבים, הן מבנה מסגרת טרומי שיוצר בשיטות שנלקחו מפרויקט MAI Skelett. עבור פרויקט זה, BMW פיתחה "מסגרת" שלד לשמשה קדמית באמצעות ארבעה מוטות פולטרוזיה מחוזקים בסיבים, אשר לאחר מכן נוצקו למסגרת פלסטיק.
שלד של מיכל קובי ניסיוני. חתכים שלדיים משושים הודפסו בתלת-ממד על ידי TUM באמצעות חוט PLA לא מחוזק (למעלה), הכנסת מוטות פולטרוזיה CF/PA6 כמחזיקי מתיחה (באמצע) ולאחר מכן עטיפת החוט סביב המחזיקים (למטה). קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
"הרעיון הוא שניתן לבנות את שלדת מיכל קובי כמבנה מודולרי", אמר גלייס. "לאחר מכן, מודולים אלה ממוקמים בכלי יציקה, תמוכות המתיחה ממוקמות במודולי המסגרת, ולאחר מכן משתמשים בשיטת MAI Skelett סביב התמוכות כדי לשלב אותן עם חלקי המסגרת." שיטת ייצור המוני, וכתוצאה מכך נוצר מבנה המשמש לאחר מכן כליבה או מנגנון לעטוף את מעטפת המרוכבת של מיכל האחסון.
TUM עיצבה את שלדת המיכל כ"כרית" קובייתית עם צדדים מוצקים, פינות מעוגלות ודוגמה משושה בחלק העליון והתחתון שדרכה ניתן להכניס ולחבר קשרים. החורים למתלים הללו הודפסו גם הם בתלת מימד. "עבור המיכל הניסיוני הראשוני שלנו, הדפסנו בתלת מימד חלקי מסגרת משושים באמצעות חומצה פולילקטית [PLA, תרמופלסטית מבוססת ביו] כי זה היה קל וזול", אמר גלייס.
הצוות רכש 68 מוטות פוליאמיד 6 (PA6) מחוזקים בסיבי פחמן מפוצלים מחברת SGL Carbon (מיטינגן, גרמניה) לשימוש כקשירים. "כדי לבחון את הקונספט, לא ביצענו שום יציקה", אומרת גלייס, "אלא פשוט הכנסנו מרווחים למסגרת ליבה מודפסת בתלת-ממד בצורת חלת דבש והדבקנו אותם עם דבק אפוקסי. זה סיפק לאחר מכן מוט לליפוף המיכל". היא מציינת שלמרות שמוטות אלה קלים יחסית לליפתם, ישנן כמה בעיות משמעותיות שיתוארו בהמשך.
"בשלב הראשון, המטרה שלנו הייתה להדגים את יכולת הייצור של העיצוב ולזהות בעיות בתפיסת הייצור", הסביר גלייס. "לכן, תמוכות המתיחה בולטות מהמשטח החיצוני של מבנה השלד, ואנחנו מחברים את סיבי הפחמן לליבה זו באמצעות פיתול נימה רטוב. לאחר מכן, בשלב השלישי, אנחנו מכופפים את ראש כל מוט קשירה. תרמופלסטי, כך שאנחנו פשוט משתמשים בחום כדי לעצב מחדש את הראש כך שהוא ישתטח וינעל בשכבה הראשונה של העטיפה. לאחר מכן אנחנו ממשיכים לעטוף את המבנה שוב כך שראש הדחיפה השטוח יהיה סגור גיאומטרית בתוך המיכל. למינציה על הקירות."
מכסה מרווח לליפוף. TUM משתמשת בכיסוי פלסטיק בקצות מוטות המתיחה כדי למנוע הסתבכות הסיבים במהלך ליפוף החוטים. קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
גלייס חזר והדגיש כי המיכל הראשון הזה הוא הוכחת היתכנות. "השימוש בהדפסה תלת-ממדית ודבק נועד רק לבדיקה ראשונית ונתן לנו מושג לגבי כמה מהבעיות שנתקלנו בהן. לדוגמה, במהלך הליפוף, הסיבים נתפסו בקצות מוטות המתיחה, מה שגרם לשבירה של הסיבים, נזק לסיבים ולהפחתת כמות הסיבים כדי להתמודד עם זה. השתמשנו בכמה מכסי פלסטיק כעזרי ייצור שהונחו על המוטות לפני שלב הליפוף הראשון. לאחר מכן, כאשר השכבות הפנימיות יוצרו, הסרנו את מכסי המגן הללו ועיצבנו מחדש את קצוות המוטות לפני העטיפה הסופית."
הצוות התנסה בתרחישי שחזור שונים. "אלה שמסתכלים סביב עובדים הכי טוב", אומרת גרייס. "כמו כן, בשלב האבטיפוס, השתמשנו בכלי ריתוך שונה כדי להפעיל חום ולעצב מחדש את קצוות מוטות הקישור. בקונספט של ייצור המוני, יהיה לך כלי אחד גדול יותר שיכול לעצב ולעצב את כל קצוות התומכות לשכבת למינציה פנימית בו זמנית."
ראשי מוטות גרירה עוצבו מחדש. TUM התנסו בקונספטים שונים ושינו את הריתוכים כדי ליישר את קצוות הקשרים המרוכבים לחיבורם ללמינציה של דופן המיכל. קרדיט תמונה: "פיתוח תהליך ייצור עבור מיכלי לחץ קוביים עם תומכים", האוניברסיטה הטכנית של מינכן, פרויקט Polymers4Hydrogen, ECCM20, יוני 2022.
לפיכך, הלמינציה מתקשה לאחר שלב הליפוף הראשון, העמודים מעוצבים מחדש, ה-TUM משלים את הליפוף השני של הסיבים, ולאחר מכן הלמינציה של דופן המיכל החיצונית מתקשה בפעם השנייה. שימו לב שזהו עיצוב מיכל מסוג 5, מה שאומר שאין לו בטנה מפלסטיק כמחסום גז. ראו דיון בסעיף השלבים הבאים להלן.
"חתכנו את ההדגמה הראשונה לחתכים ומיפינו את האזור המחובר", אמר גלייס. "תקריב מראה שהיו לנו כמה בעיות איכות עם הלמינציה, כאשר ראשי התמוכות לא נחו שטוחים על הלמינציה הפנימית."
פתרון בעיות של פערים בין הלמינציה של הקירות הפנימיים והחיצוניים של המיכל. ראש מוט הקישור שעבר שינוי יוצר פער בין הסיבוב הראשון והשני של המיכל הניסיוני. קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
מיכל ראשוני זה בגודל 450 x 290 x 80 מ"מ הושלם בקיץ שעבר. "עשינו הרבה התקדמות מאז, אבל עדיין יש לנו פער בין הלמינציה הפנימית והחיצונית", אמר גלייס. "אז ניסינו למלא את הפערים האלה עם שרף נקי ובעל צמיגות גבוהה. זה למעשה משפר את החיבור בין הקורות ללמינציה, מה שמגביר מאוד את המאמץ המכני."
הצוות המשיך לפתח את עיצוב המיכל והתהליך, כולל פתרונות לדפוס הליפוף הרצוי. "דפנות מיכל הבדיקה לא היו מעוקלות במלואן מכיוון שהיה קשה לגיאומטריה זו ליצור נתיב ליפוף", הסביר גלייס. "זווית הליפוף הראשונית שלנו הייתה 75°, אך ידענו שיש צורך במעגלים מרובים כדי לעמוד בעומס בכלי הלחץ הזה. אנחנו עדיין מחפשים פתרון לבעיה זו, אך זה לא קל עם התוכנה הקיימת כיום בשוק. זה עשוי להפוך לפרויקט המשך."
"הדגמנו את היתכנות קונספט הייצור הזה", אומר גלייס, "אבל אנחנו צריכים לעבוד עוד כדי לשפר את החיבור בין הלמינציה ולעצב מחדש את מוטות החיבור. בדיקה חיצונית במכונת בדיקה. אתם מוציאים את המרווחים מהלמינציה ובודקים את העומסים המכניים שהחיבורים האלה יכולים לעמוד בהם."
חלק זה של פרויקט Polymers4Hydrogen יושלם בסוף 2023, ובמועד זה גלייס מקווה להשלים את מיכל ההדגמה השני. מעניין לציין, שעיצובים כיום משתמשים בתרמופלסטים מחוזקים נקיים במסגרת ובחומרים מרוכבים תרמוסטיים בדפנות המיכל. האם גישה היברידית זו תיעשה בשימוש במיכל ההדגמה הסופי? "כן", אמרה גרייס. "השותפים שלנו בפרויקט Polymers4Hydrogen מפתחים שרפי אפוקסי וחומרי מטריצת מרוכבים אחרים בעלי תכונות מחסום מימן טובות יותר". היא מפרטת שני שותפים שעובדים על עבודה זו, PCCL ואוניברסיטת טמפרה (טמפרה, פינלנד).
גלייס וצוותה גם החליפו מידע ודנו ברעיונות עם יגר בנוגע לפרויקט HyDDen השני ממיכל הקומפוזיט הקונפורמי LCC.
"נייצר כלי לחץ מרוכב קונפורמי עבור רחפני מחקר", אומר יגר. "זהו שיתוף פעולה בין שתי המחלקות במחלקת התעופה והחלל והגיאודזה של TUM - LCC והמחלקה לטכנולוגיית מסוקים (HT). הפרויקט יושלם עד סוף 2024 ואנחנו משלימים כעת את כלי הלחץ. תכנון שהוא יותר בגישה של תעופה וחלל ורכב. לאחר שלב הקונספט הראשוני הזה, השלב הבא הוא ביצוע מידול מבני מפורט וחיזוי ביצועי המחסום של מבנה הקיר."
"כל הרעיון הוא לפתח רחפן חקר עם תא דלק היברידי ומערכת הנעה באמצעות סוללה", הוא המשיך. הוא ישתמש בסוללה במהלך עומסי הספק גבוהים (כלומר, המראה ונחיתה) ולאחר מכן יעבור לתא הדלק במהלך שיוט בעומס קל. "לצוות HT כבר היה רחפן מחקר והוא עיצב מחדש את מערכת ההנעה כך שתשתמש גם בסוללות וגם בתאי דלק", אמר ייגר. "הם גם רכשו מיכל CGH2 כדי לבדוק את תיבת ההילוכים הזו."
"הצוות שלי הוטל על בניית אב טיפוס של מיכל לחץ שיתאים, אבל לא בגלל בעיות האריזה שמיכל גלילי ייצור", הוא מסביר. "מיכל שטוח יותר לא מציע התנגדות רוח רבה כל כך. כך מקבלים ביצועי טיסה טובים יותר." מידות המיכל: כ-830 x 350 x 173 מ"מ.
מיכל תרמופלסטי תואם לחלוטין ל-AFP. עבור פרויקט HyDDen, צוות ה-LCC ב-TUM בחן בתחילה גישה דומה לזו ששימש את Glace (למעלה), אך לאחר מכן עבר לגישה המשתמשת בשילוב של מספר מודולים מבניים, אשר לאחר מכן נעשה בהם שימוש יתר באמצעות AFP (למטה). קרדיט תמונה: האוניברסיטה הטכנית של מינכן LCC.
"רעיון אחד דומה לגישה של אליזבת [גלייס]", אומר יגר, "להחיל תומכי מתח על דופן המיכל כדי לפצות על כוחות הכיפוף הגבוהים. עם זאת, במקום להשתמש בתהליך ליפוף לייצור המיכל, אנו משתמשים ב-AFP. לכן, חשבנו על יצירת מקטע נפרד של מיכל הלחץ, שבו המתלים כבר משולבים. גישה זו אפשרה לי לשלב כמה מהמודולים המשולבים הללו ולאחר מכן להחיל מכסה קצה כדי לאטום הכל לפני ליפוף ה-AFP הסופי."
"אנחנו מנסים לסיים גיבוש קונספט כזה", הוא המשיך, "וגם להתחיל בבדיקת בחירת החומרים, וזה חשוב מאוד כדי להבטיח את העמידות הנדרשת לחדירת גז H2. לשם כך, אנחנו משתמשים בעיקר בחומרים תרמופלסטיים ועובדים על דרכים שונות שבהן החומר ישפיע על התנהגות החלחול והעיבוד במכונת AFP. חשוב להבין אם לטיפול תהיה השפעה ואם נדרש עיבוד לאחר מכן. אנחנו גם רוצים לדעת אם ערימות שונות ישפיעו על חדירת המימן דרך כלי הלחץ."
המיכל יהיה עשוי כולו תרמופלסטי והפסים יסופקו על ידי Teijin Carbon Europe GmbH (וופרטל, גרמניה). "נשתמש בחומרים שלהם PPS [פוליפנילן סולפיד], PEEK [פוליאתר קטון] ו-LM PAEK [פוליאריל קטון בעל התכה נמוכה]", אמר יגר. "לאחר מכן נערכות השוואות כדי לראות איזה מהם הוא הטוב ביותר להגנה מפני חדירה ולייצור חלקים בעלי ביצועים טובים יותר". הוא מקווה להשלים בדיקות, מידול מבני ותהליך והדגמות ראשונות במהלך השנה הקרובה.
עבודת המחקר בוצעה במסגרת מודול COMET "Polymers4Hydrogen" (מזהה 21647053) במסגרת תוכנית COMET של המשרד הפדרלי לשינויי אקלים, סביבה, אנרגיה, ניידות, חדשנות וטכנולוגיה והמשרד הפדרלי לטכנולוגיה דיגיטלית וכלכלה. המחברים מודים לשותפים המשתתפים Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, אוסטריה), Montanuniversitaet Leoben (הפקולטה להנדסת פולימרים ומדע, המחלקה לכימיה של חומרים פולימריים, המחלקה למדעי החומרים ובדיקת פולימרים), אוניברסיטת טמפרה (הפקולטה להנדסת חומרים), Peak Technology ו-Faurecia שתרמו לעבודת מחקר זו. COMET-Modul ממומן על ידי ממשלת אוסטריה וממשלת מדינת שטיריה.
יריעות מחוזקות מראש למבנים נושאי עומס מכילות סיבים רציפים - לא רק מזכוכית, אלא גם מפחמן וארמיד.
ישנן דרכים רבות לייצור חלקים מרוכבים. לכן, בחירת השיטה עבור חלק מסוים תהיה תלויה בחומר, בעיצוב החלק ובשימוש הסופי או היישום. הנה מדריך לבחירה.
Shocker Composites ו-R&M International מפתחות שרשרת אספקה ​​של סיבי פחמן ממוחזרים המספקת אפס שחיטה, עלות נמוכה יותר בהשוואה לסיבים בתוליים, ובסופו של דבר תציע אורכים המתקרבים לסיבים רציפים בתכונות מבניות.