Standartinėse plokščiose talpyklose, skirtose akumuliatorinėms elektromobiliams ir kuro elementais varomoms elektromobilėms, naudojami termoplastiniai ir termoreaktyvūs kompozitai, kurių karkasinė konstrukcija leidžia kaupti 25 % daugiau H2. #vandenilis #tendencijos
Po bendradarbiavimo su BMW, parodžius, kad kubinis bakas gali pasiekti didesnį tūrinį efektyvumą nei keli maži cilindrai, Miuncheno technikos universitetas pradėjo projektą, skirtą sukurti kompozicinę struktūrą ir keičiamo mastelio gamybos procesą serijinei gamybai. Nuotraukos autorius: TU Dresden (viršuje kairėje), Miuncheno technikos universitetas, Anglies kompozitų katedra (LCC)
Nulinės emisijos (H2) vandeniliu varomos kuro elementais varomos elektrinės transporto priemonės (FCEV) suteikia papildomų priemonių pasiekti nulinius aplinkosaugos tikslus. Kuro elementais varomą lengvąjį automobilį su H2 varikliu galima pripildyti per 5–7 minutes, o jo rida – 500 km, tačiau šiuo metu dėl mažų gamybos apimčių jis yra brangesnis. Vienas iš būdų sumažinti išlaidas – naudoti standartinę platformą BEV ir FCEV modeliams. Šiuo metu tai neįmanoma, nes 4 tipo cilindrinės talpyklos, naudojamos suslėgtoms H2 dujoms (CGH2) laikyti esant 700 barų slėgiui FCEV, netinka po kėbulu esantiems akumuliatorių skyriams, kurie buvo kruopščiai suprojektuoti elektromobiliams. Tačiau šioje plokščioje pakuotės erdvėje gali tilpti slėginiai indai pagalvių ir kubelių pavidalu.
Patentas US5577630A „Kompozitinis konforminis slėginis indas“, paraišką pateikė „Thiokol Corp.“ 1995 m. (kairėje) ir stačiakampis slėginis indas, kurį 2009 m. užpatentavo BMW (dešinėje).
Miuncheno technikos universiteto (TUM, Miunchenas, Vokietija) Anglies kompozitų katedra (LCC) dalyvauja dviejuose šios koncepcijos plėtros projektuose. Pirmasis yra „Polymers4Hydrogen“ (P4H), kuriam vadovauja Leobeno polimerų kompetencijos centras (PCCL, Leobenas, Austrija). LCC darbo paketui vadovauja mokslinė bendradarbis Elizabeth Glace.
Antrasis projektas – Vandenilio demonstracinė ir plėtros aplinka (HyDDen), kurios LCC vadovauja tyrėjas Christianas Jaegeris. Abiejų projektų tikslas – sukurti didelio masto gamybos proceso, skirto tinkamam CGH2 bakui pagaminti naudojant anglies pluošto kompozitus, demonstraciją.
Kai mažo skersmens cilindrai montuojami plokščiuose akumuliatorių elementuose (kairėje) ir kubiniuose 2 tipo slėginiuose induose, pagamintuose iš plieninių įdėklų ir anglies pluošto / epoksidinės dervos kompozito išorinio apvalkalo (dešinėje), tūrinis efektyvumas yra ribotas. Paveikslėlio šaltinis: 3 ir 6 paveikslai yra iš Rufo ir Zarembos ir kt. darbo „II tipo slėginės dėžės indo su vidinėmis įtempimo kojomis skaitmeninis projektavimo metodas“.
„P4H“ pagamino eksperimentinį kubo formos baką, kuriame naudojamas termoplastinis rėmas su kompozitiniais įtempimo diržais/atramsčiais, apvyniotais anglies pluoštu armuotu epoksidine derva. „HyDDen“ naudos panašų dizainą, tačiau visiems termoplastiniams kompozitiniams bakams gaminti bus naudojamas automatinis pluošto išdėstymas (AFP).
Nuo „Thiokol Corp.“ patento paraiškos „Kompozitinis konforminis slėginis indas“ 1995 m. iki Vokietijos patento DE19749950C2 1997 m., suslėgtų dujų indai „gali turėti bet kokią geometrinę konfigūraciją“, bet ypač plokščias ir netaisyklingas formas, ertmėje, sujungtoje su korpuso atrama. Elementai naudojami taip, kad jie galėtų atlaikyti dujų plėtimosi jėgą.
2006 m. Lawrence'o Livermore'o nacionalinės laboratorijos (LLNL) straipsnyje aprašomi trys metodai: gijomis vyniotas konforminis slėginis indas, mikrogardelės slėginis indas su vidine ortorombine gardelės struktūra (mažos 2 cm ar mažesnės ląstelės), apsuptas plonasienio H2 indo, ir replikatoriaus indas, sudarytas iš vidinės struktūros, sudarytos iš klijuotų mažų dalių (pvz., šešiakampių plastikinių žiedų) ir plono išorinio apvalkalo. Dublikatų indai geriausiai tinka didesniems indams, kur tradicinius metodus gali būti sunku taikyti.
2009 m. „Volkswagen“ pateiktame patente DE102009057170A aprašomas ant transporto priemonės montuojamas slėginis indas, kuris užtikrins didelį svorio efektyvumą ir pagerins erdvės panaudojimą. Stačiakampiuose induose naudojamos įtempimo jungtys tarp dviejų stačiakampių priešingų sienelių, o kampai yra užapvalinti.
Šias ir kitas koncepcijas Gleiss cituoja straipsnyje „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars“, kurį Gleiss ir kt. pristatė ECCM20 konferencijoje (2022 m. birželio 26–30 d., Lozanoje, Šveicarijoje). Šiame straipsnyje ji cituoja Michaelo Roofo ir Sveno Zarembos paskelbtą TUM tyrimą, kuriame nustatyta, kad kubinis slėginis indas su įtempimo atramomis, jungiančiomis stačiakampes sieneles, yra efektyvesnis nei keli maži cilindrai, telpantys į išsikrovusios baterijos erdvę, nes suteikia maždaug 25 % daugiau vietos.
Pasak Gleisso, problema, kylanti montuojant daugybę mažų 4 tipo cilindrų plokščiame korpuse, yra ta, kad „tūris tarp cilindrų labai sumažėja, o sistema taip pat turi labai didelį H2 dujų pralaidumo paviršių. Apskritai sistema turi mažesnę talpą nei kubiniai indai“.
Tačiau yra ir kitų problemų, susijusių su kubine rezervuaro konstrukcija. „Akivaizdu, kad dėl suslėgtų dujų reikia neutralizuoti plokščių sienelių lenkimo jėgas“, – sakė Gleissas. „Tam reikia sustiprintos konstrukcijos, kuri viduje jungtųsi su rezervuaro sienelėmis. Tačiau tai sunku padaryti su kompozitais.“
Glace ir jos komanda bandė į slėginį indą įmontuoti armatūros įtempimo strypus taip, kad jie tiktų gijų vyniojimo procesui. „Tai svarbu didelio masto gamybai“, – aiškina ji, – „ir taip pat leidžia mums suprojektuoti indo sienelių vyniojimo modelį, kad būtų optimizuota pluošto orientacija kiekvienai apkrovai zonoje.“
Keturi žingsniai, kaip pagaminti bandomąjį kubinį kompozicinį baką P4H projektui. Iliustracijos autorius: „Kubinių slėginių indų su sutvirtinimu gamybos proceso kūrimas“, Miuncheno technikos universitetas, „Polymers4Hydrogen“ projektas, ECCM20, 2022 m. birželis.
Siekdama užtikrinti grandinės sujungimą, komanda sukūrė naują koncepciją, kurią sudaro keturi pagrindiniai laipteliai, kaip parodyta aukščiau. Įtempimo atramos, ant laiptelių pavaizduotos juodai, yra surenkama rėmo konstrukcija, pagaminta naudojant metodus, paimtus iš „MAI Skelett“ projekto. Šiam projektui BMW sukūrė priekinio stiklo rėmo „rėmą“, naudodama keturis pluoštu sustiprintus pultruzijos strypus, kurie vėliau buvo suformuoti į plastikinį rėmą.
Eksperimentinio kubinio bako rėmas. Šešiakampės skeleto dalys, atspausdintos TUM 3D spausdintuvu naudojant nesutvirtintą PLA giją (viršuje), įterpiant CF/PA6 pultruzijos strypus kaip įtempimo atramas (viduryje) ir apvyniojant giją aplink atramas (apačioje). Nuotraukos autorius: Miuncheno technikos universitetas (LCC).
„Idėja yra ta, kad kubinio rezervuaro rėmą galima sukonstruoti kaip modulinę konstrukciją“, – sakė Glace'as. „Tada šie moduliai dedami į formavimo įrankį, į rėmo modulius įdedami įtempimo atramos, o tada aplink atramas naudojamas MAI Skelett metodas, kad jos būtų integruotos su rėmo dalimis.“ masinės gamybos metodas, todėl konstrukcija naudojama kaip įtvaras arba šerdis, apvyniojant rezervuaro kompozitinį apvalkalą.
TUM suprojektavo rezervuaro rėmą kaip kubinę „pagalvę“ su tvirtais šonais, užapvalintais kampais ir šešiakampiu raštu viršuje bei apačioje, pro kurį galima įkišti ir pritvirtinti raiščius. Šių stovų skylės taip pat buvo atspausdintos 3D spausdintuvu. „Pradiniam eksperimentiniam rezervuarui šešiakampes rėmo dalis atspausdinome 3D spausdintuvu, naudodami polilaktinę rūgštį [PLA, biologinės kilmės termoplastą], nes tai buvo paprasta ir pigu“, – teigė Glace'as.
Komanda iš „SGL Carbon“ (Meitingenas, Vokietija) įsigijo 68 pultrudijos būdu pagamintus anglies pluoštu armuotus poliamido 6 (PA6) strypus, skirtus naudoti kaip jungiamuosius elementus. „Norėdami išbandyti koncepciją, mes neatlikome jokio liejimo“, – sako Gleiss, – „o tiesiog įdėjome tarpiklius į 3D atspausdintą korio formos šerdies rėmą ir suklijavome juos epoksidiniais klijais. Tai vėliau tampa įtvaru bakui vynioti.“ Ji pažymi, kad nors šiuos strypus gana lengva vynioti, yra keletas reikšmingų problemų, kurios bus aprašytos vėliau.
„Pirmajame etape mūsų tikslas buvo pademonstruoti konstrukcijos gaminamumą ir nustatyti gamybos koncepcijos problemas“, – aiškino Gleissas. „Taigi, įtempimo atramos išsikiša iš išorinio karkasinės konstrukcijos paviršiaus, o prie šios šerdies šlapiuoju būdu pritvirtiname anglies pluoštus. Po to, trečiajame etape, sulenkiame kiekvieno traukės strypo galvutę. Termoplastas, todėl mes tiesiog naudojame šilumą, kad pakeistume galvutės formą, kad ji suplokštėtų ir užsifiksuotų pirmajame apvyniojimo sluoksnyje. Tada vėl apvyniojame konstrukciją taip, kad plokščia atraminė galvutė būtų geometriškai uždaryta bake. Laminatas ant sienelių.“
Tarpiklis vyniojimui. TUM naudoja plastikinius dangtelius įtempimo strypų galuose, kad pluoštai nesusipainiotų vyniojant giją. Vaizdo šaltinis: Miuncheno technikos universitetas (LCC).
Glace'as pakartojo, kad šis pirmasis bakas yra koncepcijos įrodymas. „3D spausdinimas ir klijai buvo naudojami tik pradiniams bandymams ir leido mums susidaryti vaizdą apie keletą problemų, su kuriomis susidūrėme. Pavyzdžiui, vyniojimo metu siūlai užkliuvo už įtempimo strypų galų, dėl to pluoštas lūžo, buvo pažeistas ir sumažėjo pluošto kiekis, kad tai būtų kompensuota. Prieš pirmąjį vyniojimo etapą kaip gamybos pagalbines priemones naudojome kelis plastikinius dangtelius, kurie buvo uždėti ant stulpų. Tada, kai buvo pagaminti vidiniai laminatai, nuėmėme šiuos apsauginius dangtelius ir prieš galutinį apvyniojimą pertvarkėme stulpų galus.“
Komanda eksperimentavo su įvairiais rekonstrukcijos scenarijais. „Geriausiai dirba tie, kurie apsižvalgo“, – sako Grace. „Be to, prototipų kūrimo etape naudojome modifikuotą suvirinimo įrankį, kad galėtume pritaikyti šilumą ir pakeisti traukių galų formą. Masinės gamybos koncepcijoje turėtumėte vieną didesnį įrankį, kuris vienu metu galėtų suformuoti visus atramų galus į vidaus apdailos laminatą.“
Pakeista vilkimo strypo galvučių forma. TUM eksperimentavo su skirtingomis koncepcijomis ir modifikavo suvirinimo siūles, kad sulygiuotų kompozitinių jungčių galus tvirtinimui prie rezervuaro sienelės laminato. Nuotraukos autorius: „Kubinių slėginių indų su sutvirtinimu gamybos proceso kūrimas“, Miuncheno technikos universitetas, „Polymers4Hydrogen“ projektas, ECCM20, 2022 m. birželis.
Taigi, po pirmojo vyniojimo etapo laminatas kietinamas, atramos pakeičiamos, TUM užbaigia antrąjį gijų vyniojimą, o tada išorinės bako sienelės laminatas kietinamas antrą kartą. Atkreipkite dėmesį, kad tai yra 5 tipo bako konstrukcija, o tai reiškia, kad ji neturi plastikinio įdėklo kaip dujų barjero. Žr. aptarimą toliau pateiktame skyriuje „Kiti veiksmai“.
„Pirmąją demonstracinę versiją supjaustėme skerspjūviais ir nubraižėme sujungtos srities žemėlapį“, – sakė Glace'as. „Iš stambaus plano matyti, kad turėjome tam tikrų laminato kokybės problemų – atramų galvutės nebuvo lygiai prigludusios prie vidinio laminato.“
Problemų, susijusių su tarpais tarp bako vidinės ir išorinės sienelių laminato, sprendimas. Modifikuota traukės galvutė sukuria tarpą tarp pirmojo ir antrojo eksperimentinio bako vijukų. Nuotraukos autorius: Miuncheno technikos universitetas (LCC).
Šis pradinis 450 x 290 x 80 mm bakas buvo baigtas praėjusią vasarą. „Nuo to laiko padarėme didelę pažangą, bet vis dar yra tarpas tarp vidinio ir išorinio laminato“, – sakė Glace'as. „Todėl bandėme užpildyti šiuos tarpus švaria, didelio klampumo derva. Tai iš tikrųjų pagerina smeigių ir laminato sujungimą, o tai labai padidina mechaninį įtempį.“
Komanda toliau tobulino bako konstrukciją ir procesą, įskaitant sprendimus dėl norimo vyniojimo modelio. „Bandomojo bako šonai nebuvo visiškai užlenkti, nes šiai geometrijai buvo sunku sukurti vyniojimo kelią“, – aiškino Glace'as. „Pradinis mūsų vyniojimo kampas buvo 75°, tačiau žinojome, kad norint patenkinti šio slėginio indo apkrovą, reikia kelių grandinių. Vis dar ieškome šios problemos sprendimo, tačiau su šiuo metu rinkoje esančia programine įranga tai nėra lengva. Tai gali tapti tolesniu projektu.“
„Mes pademonstravome šios gamybos koncepcijos įgyvendinamumą“, – sako Gleissas, – „tačiau turime toliau dirbti, kad pagerintume laminato jungtį ir pakeistume traukių formą. Išoriniai bandymai atliekami bandymų mašinoje. Iš laminato ištraukiate tarpiklius ir išbandote mechanines apkrovas, kurias tos jungtys gali atlaikyti.“
Ši „Polymers4Hydrogen“ projekto dalis bus baigta 2023 m. pabaigoje, o iki to laiko Gleis tikisi užbaigti antrąjį demonstracinį baką. Įdomu tai, kad šiandieniniuose projektuose rėmuose naudojami tvarkingi armuoti termoplastai, o bako sienelėse – termoreaktyvūs kompozitai. Ar šis hibridinis metodas bus naudojamas galutiniame demonstraciniame bake? „Taip“, – sakė Grace. „Mūsų partneriai „Polymers4Hydrogen“ projekte kuria epoksidines dervas ir kitas kompozicines matricines medžiagas, pasižyminčias geresnėmis vandenilio barjero savybėmis.“ Ji išvardija du šiame darbe dirbančius partnerius: PCCL ir Tamperes universitetą (Tamperė, Suomija).
Gleiss ir jos komanda taip pat apsikeitė informacija ir aptarė idėjas su Jaeger dėl antrojo „HyDDen“ projekto iš LCC konforminio kompozicinio rezervuaro.
„Gaminsime konforminį kompozitinį slėginį indą mokslinių tyrimų dronams“, – sako Jaegeris. „Tai dviejų TUM Aviacijos ir kosmoso bei geodezijos katedros – LCC ir Sraigtasparnių technologijų (HT) katedros – bendradarbiavimo rezultatas. Projektas bus baigtas iki 2024 m. pabaigos, o šiuo metu baigiame kurti slėginį indą. Šis projektas labiau atitinka aviacijos ir automobilių pramonės poreikius. Po šio pradinio koncepcijos etapo kitas žingsnis – atlikti išsamų konstrukcinį modeliavimą ir numatyti sienos konstrukcijos barjerines savybes.“
„Visa idėja yra sukurti tiriamąjį droną su hibridine kuro elementų ir akumuliatorių varymo sistema“, – tęsė jis. Jis naudos akumuliatorių esant didelėms apkrovoms (t. y. kylant ir leidžiantis), o tada persijungs į kuro elementą skrendant su maža apkrova. „HT komanda jau turėjo tyrimų droną ir pertvarkė jėgos agregatą, kad būtų galima naudoti ir akumuliatorius, ir kuro elementus“, – sakė Yeageris. „Jie taip pat įsigijo CGH2 baką, kad išbandytų šią transmisiją.“
„Mano komandai buvo pavesta sukurti tinkamą slėginio bako prototipą, bet ne dėl cilindrinio bako pakavimo problemų“, – aiškina jis. „Plokštesnis bakas neturi tokio didelio pasipriešinimo vėjui. Todėl gaunamos geresnės skrydžio charakteristikos.“ Bako matmenys: maždaug 830 x 350 x 173 mm.
Visiškai termoplastinis, AFP reikalavimus atitinkantis bakas. „HyDDen“ projektui TUM LCC komanda iš pradžių tyrinėjo panašų metodą, kokį naudojo „Glace“ (viršuje), bet vėliau perėjo prie metodo, kuriame naudojamas kelių konstrukcinių modulių derinys, o vėliau per daug kartų naudojamas AFP (žemiau). Nuotraukos autorius: Miuncheno technikos universitetas LCC.
„Viena idėja panaši į Elisabeth [Gleiss] metodą, – sako Yager, – prie indo sienelės pritvirtinti įtempimo atramas, kad būtų kompensuotos didelės lenkimo jėgos. Tačiau užuot naudoję vyniojimo procesą bakui gaminti, naudojame AFP. Todėl galvojome apie atskiros slėginio indo dalies, kurioje jau būtų integruoti stovai, sukūrimą. Šis metodas leido man sujungti kelis iš šių integruotų modulių ir tada uždėti galinį dangtelį, kad viskas būtų užsandarinta prieš galutinį AFP apviją.“
„Mes bandome užbaigti tokią koncepciją“, – tęsė jis, – „taip pat pradedame testuoti medžiagų pasirinkimą, kuris yra labai svarbus siekiant užtikrinti reikiamą atsparumą H2 dujų prasiskverbimui. Tam daugiausia naudojame termoplastines medžiagas ir dirbame su įvairiais būdais, kaip medžiaga paveiks šį prasiskverbimo elgesį ir apdorojimą AFP mašinoje. Svarbu suprasti, ar apdorojimas turės poveikį ir ar reikės kokio nors papildomo apdorojimo. Taip pat norime sužinoti, ar skirtingi sluoksniai paveiks vandenilio prasiskverbimą per slėginį indą.“
Bakas bus pagamintas tik iš termoplasto, o juosteles tieks „Teijin Carbon Europe GmbH“ (Vupertalis, Vokietija). „Naudosime jų PPS [polifenileno sulfido], PEEK [polieterio ketono] ir LM PAEK [žemos lydymosi temperatūros poliarilketono] medžiagas“, – sakė Yageris. „Tada atliekami palyginimai, siekiant nustatyti, kuri iš jų geriausiai apsaugo nuo įsiskverbimo ir gamina geresnes eksploatacines savybes turinčias dalis.“ Jis tikisi per ateinančius metus užbaigti bandymus, konstrukcinį ir procesų modeliavimą bei pirmąsias demonstracijas.
Mokslinis tyrimas buvo atliktas pagal COMET modulį „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053), kuris yra Federalinės klimato kaitos, aplinkos, energetikos, mobilumo, inovacijų ir technologijų ministerijos bei Federalinės skaitmeninių technologijų ir ekonomikos ministerijos COMET programa. Autoriai dėkoja prie šio mokslinio tyrimo prisidėjusiems partneriams: „Polymer Competence Center Leoben GmbH“ (PCCL, Austrija), „Montanuniversitaet Leoben“ (Polimerų inžinerijos ir mokslo fakultetas, Polimerinių medžiagų chemijos katedra, Medžiagų mokslo ir polimerų bandymų katedra), Tamperes universitetui (Inžinerinių medžiagų fakultetas), „Peak Technology“ ir „Faurecia“. COMET modulį finansuoja Austrijos vyriausybė ir Štirijos žemės vyriausybė.
Iš anksto sutvirtinti lakštai, skirti laikančiosioms konstrukcijoms, turi ištisinius pluoštus – ne tik iš stiklo, bet ir iš anglies bei aramido.
Yra daug būdų, kaip pagaminti kompozicines detales. Todėl konkrečios detalės gamybos metodo pasirinkimas priklausys nuo medžiagos, detalės konstrukcijos ir galutinio naudojimo ar taikymo. Čia pateikiamas pasirinkimo vadovas.
„Shocker Composites“ ir „R&M International“ kuria perdirbto anglies pluošto tiekimo grandinę, kuri užtikrins nulinį skerdimą, pigesnę kainą nei grynasis pluoštas ir galiausiai pasiūlys ilgį, kurio struktūrinės savybės priartės prie ištisinio pluošto.
Įrašo laikas: 2023 m. kovo 15 d.