Standartinėse plokščiose platformose, skirtose BEV ir FCEV, naudojami termoplastiniai ir termoreaktingi kompozitai, kurių karkaso konstrukcija suteikia 25 % daugiau H2 saugojimo.#vandenilis #tendencijos
Po to, kai bendradarbiavimas su BMW parodė, kad kubinis bakas gali užtikrinti didesnį tūrinį efektyvumą nei keli maži cilindrai, Miuncheno technikos universitetas pradėjo projektą, skirtą sukurti sudėtinę struktūrą ir keičiamo dydžio gamybos procesą serijinei gamybai.Vaizdo kreditas: TU Dresdenas (viršuje, kairėje), Miuncheno technikos universitetas, Anglies kompozitų katedra (LCC)
Kuro elementų elektrinės transporto priemonės (FCEV), varomos nulinės emisijos (H2) vandeniliu, suteikia papildomų priemonių pasiekti nulinius aplinkosaugos tikslus.Kuro elementų lengvąjį automobilį su H2 varikliu galima pripildyti per 5-7 minutes, nuvažiuoti iki 500 km, tačiau šiuo metu jis yra brangesnis dėl mažų gamybos apimčių.Vienas iš būdų sumažinti išlaidas – naudoti standartinę platformą BEV ir FCEV modeliams.Šiuo metu tai neįmanoma, nes 4 tipo cilindriniai bakai, naudojami suslėgtoms H2 dujoms (CGH2) laikyti 700 barų slėgyje FCEV, nėra tinkami apatiniams akumuliatorių skyriams, kurie buvo kruopščiai suprojektuoti elektromobiliams.Tačiau šioje plokščioje pakuotėje gali tilpti slėginiai indai pagalvių ir kubelių pavidalu.
Patentas US5577630A „Composite Conformal Pressure Vessel“, paraiška Thiokol Corp. pateikta 1995 m. (kairėje), ir stačiakampio formos slėginis indas, patentuotas BMW 2009 m. (dešinėje).
Miuncheno technikos universiteto (TUM, Miunchenas, Vokietija) Anglies kompozitų katedra (LCC) dalyvauja dviejuose šios koncepcijos kūrimo projektuose.Pirmasis yra Polymers4Hydrogen (P4H), vadovaujamas Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austrija).LCC darbo paketui vadovauja kolegė Elizabeth Glace.
Antrasis projektas yra vandenilio demonstravimo ir plėtros aplinka (HyDDen), kurioje LCC vadovauja tyrėjas Christianas Jaegeris.Abu siekiama sukurti didelio masto gamybos proceso demonstravimą, kad būtų galima pagaminti tinkamą CGH2 baką naudojant anglies pluošto kompozitus.
Tūrinis efektyvumas yra ribotas, kai mažo skersmens balionai montuojami plokščiuose akumuliatoriaus elementuose (kairėje) ir kubiniuose 2 tipo slėginiuose induose, pagamintuose iš plieninių įdėklų ir anglies pluošto/epoksidinio kompozito išorinio apvalkalo (dešinėje).Vaizdo šaltinis: 3 ir 6 paveikslai yra iš „Skaitinio projektavimo metodo II tipo slėginės dėžės indui su vidinėmis įtempimo kojomis“, kurį pateikė Ruf ir Zaremba ir kt.
P4H pagamino eksperimentinį kubo baką, kuriame naudojamas termoplastinis rėmas su kompozitiniais įtempimo dirželiais / statramsčiais, apvyniotais anglies pluoštu sustiprinta epoksidine derva.„HyDDen“ naudos panašų dizainą, tačiau naudos automatinį pluošto išdėstymą (AFP), kad gamintų visas termoplastines kompozitines talpyklas.
Iš Thiokol Corp. patento paraiškos „Composite Conformal Pressure Vessel“ 1995 m. iki Vokietijos patento DE19749950C2 1997 m., suslėgtų dujų indai „gali turėti bet kokią geometrinę konfigūraciją“, bet ypač plokščių ir netaisyklingų formų, ertmėje, sujungtoje su korpuso atrama. .elementai naudojami taip, kad jie galėtų atlaikyti dujų plėtimosi jėgą.
2006 m. Lawrence'o Livermore'o nacionalinės laboratorijos (LLNL) dokumente aprašomi trys būdai: siūle suvyniotas konforminis slėginis indas, mikrogardelės slėginis indas, kuriame yra vidinė ortorombinė gardelės struktūra (mažos ląstelės, kurių skersmuo ne didesnis kaip 2 cm), apsuptas plonasienės H2 talpyklos, ir replikatoriaus talpykla, sudaryta iš vidinės struktūros, susidedančios iš suklijuotų mažų dalių (pvz., šešiakampių plastikinių žiedų) ir plono išorinio apvalkalo apvalkalo.Dvigubos talpyklos geriausiai tinka didesnėms talpykloms, kur gali būti sunku pritaikyti tradicinius metodus.
2009 m. Volkswagen pateiktame patente DE102009057170A aprašomas transporto priemonėje montuojamas slėginis indas, kuris užtikrins didelį svorio efektyvumą ir pagerins erdvės išnaudojimą.Stačiakampiuose rezervuaruose naudojamos įtempimo jungtys tarp dviejų stačiakampių priešingų sienų, o kampai yra suapvalinti.
Pirmiau minėtas ir kitas sąvokas cituoja Gleiss dokumente „Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars“, Gleiss et al.ECCM20 (2022 m. birželio 26–30 d., Lozana, Šveicarija).Šiame straipsnyje ji cituoja Michaelo Roofo ir Sveno Zarembos paskelbtą TUM tyrimą, kuriame nustatyta, kad kubinis slėginis indas su įtempimo statramsčiais, jungiančiais stačiakampius šonus, yra efektyvesnis nei keli maži cilindrai, telpantys į išsikrovusio akumuliatoriaus erdvę, ir užtikrinantys maždaug 25 % daugiau.saugojimo vietos.
Anot Gleiss, problema sumontuojant daug mažų 4 tipo balionų plokščiame korpuse yra ta, kad „labai sumažėja tūris tarp cilindrų, o sistema taip pat turi labai didelį H2 dujų pralaidumo paviršių.Apskritai sistema suteikia mažiau talpos nei kubiniai stiklainiai.
Tačiau yra ir kitų problemų, susijusių su bako kubiniu dizainu."Akivaizdu, kad dėl suslėgtų dujų turite atremti plokščių sienų lenkimo jėgas", - sakė Gleissas.„Tam reikia sustiprintos konstrukcijos, kuri viduje jungiasi su rezervuaro sienelėmis.Bet tai sunku padaryti su kompozitais.
Glace ir jos komanda bandė į slėginį indą įtraukti armuojančius įtempimo strypus taip, kad jie būtų tinkami gijų vyniojimo procesui."Tai svarbu didelės apimties gamybai, - aiškina ji, - ir taip pat leidžia mums suprojektuoti konteinerio sienelių apvijų modelį, kad būtų optimizuota pluošto orientacija kiekvienai apkrovai zonoje."
Keturi žingsniai, norint sukurti bandomąjį kubinį kompozitinį baką P4H projektui.Vaizdo kreditas: „Kubinių slėginių indų su įtvarais gamybos proceso kūrimas“, Miuncheno technikos universitetas, projektas „Polymers4Hydrogen“, ECCM20, 2022 m. birželio mėn.
Siekdama prisijungti prie grandinės, komanda sukūrė naują koncepciją, kurią sudaro keturi pagrindiniai žingsniai, kaip parodyta aukščiau.Įtempimo statramsčiai, pavaizduoti juodai ant laiptelių, yra surenkama rėmo konstrukcija, pagaminta naudojant MAI Skelett projekto metodus.Šiam projektui BMW sukūrė priekinio stiklo rėmo „karkasą“, naudodama keturis pluoštu sustiprintus pultrusinius strypus, kurie vėliau buvo suformuoti į plastikinį rėmą.
Eksperimentinio kubinio bako rėmas.Šešiakampės skeleto dalys 3D atspausdintos TUM naudojant nesustiprintą PLA giją (viršuje), įterpiant CF/PA6 pultrusinius strypus kaip įtempimo atramas (viduryje), o tada apvyniojant siūlą aplink petnešas (apačioje).Vaizdo kreditas: Miuncheno technikos universitetas LCC.
„Idėja yra ta, kad jūs galite sukurti kubinio bako rėmą kaip modulinę konstrukciją“, - sakė Glace.„Šie moduliai įdedami į liejimo įrankį, įtempimo statramsčiai įdedami į rėmo modulius, o tada aplink statramsčius naudojamas MAI Skelett metodas, kad jie būtų integruoti su rėmo dalimis.masinės gamybos metodas, todėl konstrukcija naudojama kaip įtvaras arba šerdis apvyniojant akumuliacinio rezervuaro sudėtinį apvalkalą.
TUM suprojektavo rezervuaro rėmą kaip kubinę „pagalvėlę“ su tvirtais kraštais, užapvalintais kampais ir šešiakampiu raštu viršuje ir apačioje, per kurį galima įkišti ir pritvirtinti kaklaraiščius.Šių stelažų skylės taip pat buvo atspausdintos 3D būdu.„Mūsų pradiniame eksperimentiniame bake 3D spausdinome šešiakampes rėmo dalis, naudodami polipieno rūgštį [PLA, biologinį termoplastiką], nes tai buvo paprasta ir pigu“, - sakė Glace.
Komanda iš SGL Carbon (Meitingenas, Vokietija) įsigijo 68 pultruduotus anglies pluoštu sustiprintus poliamido 6 (PA6) strypus, skirtus naudoti kaip kaklaraiščius.„Norėdami išbandyti koncepciją, nedarėme jokio liejimo, – sako Gleissas, – o tiesiog įdėjome tarpiklius į 3D spausdintą korio šerdies rėmą ir klijavome epoksidiniais klijais.Tada tai suteikia įtvarą bako apvyniojimui.Ji pažymi, kad nors šios meškerės yra gana lengvai vyniojamos, yra keletas reikšmingų problemų, kurios bus aprašytos vėliau.
„Pirmajame etape mūsų tikslas buvo parodyti dizaino pagaminamumą ir nustatyti gamybos koncepcijos problemas“, – paaiškino Gleissas.„Taigi įtempimo statramsčiai išsikiša iš išorinio skeleto struktūros paviršiaus, o anglies pluoštus pritvirtiname prie šios šerdies naudodami šlapią gijų apviją.Po to, trečiame žingsnyje, sulenkiame kiekvieno traukės galvutę.termoplastinis, todėl mes tiesiog naudojame šilumą, kad pakeistume galvos formą, kad ji išsilygintų ir užsifiksuotų pirmame įvyniojimo sluoksnyje.Tada vėl apvyniojame konstrukciją taip, kad plokščia traukos galvutė geometriškai būtų uždaryta rezervuare.laminatas ant sienų.
Tarpiklio dangtelis vyniojimui.TUM įtempimo strypų galuose naudoja plastikinius dangtelius, kad pluoštai nesusipainiotų gijų vyniojimo metu.Vaizdo kreditas: Miuncheno technikos universitetas LCC.
Glace'as pakartojo, kad šis pirmasis bakas buvo koncepcijos įrodymas.„3D spausdinimas ir klijai buvo naudojami tik pirminiam bandymui ir leido mums suprasti keletą problemų, su kuriomis susidūrėme.Pavyzdžiui, vyniojimo metu gijos buvo sugriebtos už įtempimo strypų galų, todėl pluoštas lūžta, buvo pažeistas ir sumažinamas pluošto kiekis, kad būtų išvengta šios problemos.Naudojome kelis plastikinius dangtelius kaip pagalbines gamybos priemones, kurios buvo uždėtos ant stulpų prieš pirmąjį vyniojimo etapą. Tada, kai buvo pagamintos vidinės laminatės, nuėmėme šiuos apsauginius dangtelius ir pertvarkėme stulpų galus prieš galutinį apvyniojimą.
Komanda eksperimentavo su įvairiais rekonstrukcijos scenarijais.„Geriausiai dirba tie, kurie apsižvalgo“, – sako Grace.„Be to, prototipų kūrimo fazėje naudojome modifikuotą suvirinimo įrankį, kad pritaikytume šilumą ir pakeistume skersinio strypo galus.Masinės gamybos koncepcijoje turėtumėte vieną didesnį įrankį, kuris vienu metu gali suformuoti ir suformuoti visus statramsčių galus į vidaus apdailos laminatą..“
Pertvarkytos grąžulo galvutės.TUM eksperimentavo su įvairiomis koncepcijomis ir modifikavo suvirinimo siūles, kad sulygiuotų kompozitinių jungčių galus, kad būtų galima pritvirtinti prie rezervuaro sienelės laminato.Vaizdo kreditas: „Kubinių slėginių indų su įtvarais gamybos proceso kūrimas“, Miuncheno technikos universitetas, projektas „Polymers4Hydrogen“, ECCM20, 2022 m. birželio mėn.
Taigi, laminatas sukietėja po pirmojo vyniojimo etapo, stulpeliai performuojami, TUM užbaigia antrąjį gijų apvijimą, o tada išorinės talpyklos sienelės laminatas sukietėja antrą kartą.Atkreipkite dėmesį, kad tai yra 5 tipo bako konstrukcija, o tai reiškia, kad jame nėra plastikinio įdėklo kaip dujų barjero.Žiūrėkite diskusiją toliau esančioje skiltyje „Kiti veiksmai“.
"Mes supjaustėme pirmąją demonstracinę versiją į skersinius pjūvius ir suplanavome prijungtą sritį", - sakė Glace'as.„Iš stambaus plano matyti, kad turėjome tam tikrų laminato kokybės problemų, nes statramsčių galvutės nebuvo plokščios ant vidinio laminato.
Problemų sprendimas dėl tarpų tarp rezervuaro vidinės ir išorinės sienelių laminato.Modifikuota vairo trauklės galvutė sukuria tarpą tarp pirmojo ir antrojo eksperimentinio bako apsisukimų.Vaizdo kreditas: Miuncheno technikos universitetas LCC.
Šis pradinis 450 x 290 x 80 mm bakas buvo baigtas praėjusią vasarą.„Nuo to laiko padarėme didelę pažangą, tačiau vis dar turime atotrūkį tarp vidaus ir išorės laminato“, – sakė Glace.„Taigi pabandėme tuos tarpus užpildyti švaria, didelio klampumo derva.Tai iš tikrųjų pagerina ryšį tarp smeigių ir laminato, o tai labai padidina mechaninį įtempimą.
Komanda toliau kūrė rezervuaro dizainą ir procesą, įskaitant norimo apvijų modelio sprendimus.„Bandymo bako šonai nebuvo iki galo susisukę, nes tokiai geometrijai buvo sunku sukurti vingiuotą kelią“, – paaiškino Glace'as.„Mūsų pradinis apvijos kampas buvo 75°, bet žinojome, kad norint patenkinti šio slėginio indo apkrovą, reikia kelių grandinių.Vis dar ieškome šios problemos sprendimo, tačiau tai nėra lengva su šiuo metu rinkoje esančia programine įranga.Tai gali tapti tolesniu projektu.
„Mes įrodėme šios gamybos koncepcijos pagrįstumą, – sako Gleissas, – tačiau turime toliau dirbti, kad pagerintume laminato ryšį ir pakeistume sujungimo strypus.„Išorinis bandymas bandymo mašinoje.Jūs ištraukiate tarpiklius iš laminato ir išbandote mechanines apkrovas, kurias tos jungtys gali atlaikyti.
Ši „Polymers4Hydrogen“ projekto dalis bus baigta 2023 m. pabaigoje, iki to laiko „Gleis“ tikisi užbaigti antrąjį demonstracinį baką.Įdomu tai, kad šiandienos konstrukcijose rėme naudojamas tvarkingas armuotas termoplastikas, o rezervuaro sienelėse – termoreaktingi kompozitai.Ar šis hibridinis metodas bus naudojamas galutiniame demonstraciniame bake?- Taip, - pasakė Greisė.„Mūsų partneriai projekte „Polymers4Hydrogen“ kuria epoksidines dervas ir kitas kompozitines matricines medžiagas, pasižyminčias geresnėmis vandenilio barjerinėmis savybėmis.Ji išvardija du šiame darbe dirbančius partnerius – PCCL ir Tamperės universitetą (Tamperė, Suomija).
Gleiss ir jos komanda taip pat apsikeitė informacija ir aptarė idėjas su Jaeger dėl antrojo HyDDen projekto iš LCC konforminio kompozito bako.
„Mes gaminsime konforminį sudėtinį slėginį indą mokslinių tyrimų dronams“, - sako Jaegeris.„Tai yra dviejų TUM Aviacijos ir geodezijos departamentų – LCC ir Sraigtasparnių technologijos (HT) katedros bendradarbiavimas.Projektas bus baigtas iki 2024 metų pabaigos, šiuo metu baigiame slėginį indą.dizainas, labiau susijęs su kosmosu ir automobiliais.Po šio pradinio koncepcijos etapo kitas žingsnis yra atlikti išsamų konstrukcijų modeliavimą ir numatyti sienos konstrukcijos barjerines savybes.
„Visa idėja yra sukurti tiriamąjį droną su hibridiniu kuro elementu ir akumuliatoriaus varymo sistema“, - tęsė jis.Jis naudos bateriją didelės galios apkrovos metu (ty kilimo ir tūpimo metu), o tada persijungs į kuro elementą, kai važiuojama maža apkrova.„HT komanda jau turėjo tyrimų droną ir perkūrė jėgos agregatą, kad būtų galima naudoti ir baterijas, ir kuro elementus“, – sakė Yeageris."Jie taip pat įsigijo CGH2 baką, kad išbandytų šią transmisiją."
„Mano komandai buvo pavesta sukurti slėginio bako prototipą, kuris tiktų, bet ne dėl pakuotės problemų, kurias sukeltų cilindrinis bakas“, – aiškina jis.„Plokštesnis bakas nepasiūlo tiek didelio pasipriešinimo vėjui.Taigi jūs gaunate geresnius skrydžio rezultatus.Bako matmenys apytiksl.830 x 350 x 173 mm.
Visiškai termoplastinis AFP suderinamas bakas.„HyDDen“ projektui LCC komanda iš TUM iš pradžių ištyrė panašų požiūrį į tą, kurį naudojo Glace (aukščiau), bet tada perėjo prie metodo, naudodama kelių struktūrinių modulių derinį, kurie vėliau buvo pernelyg naudojami naudojant AFP (toliau).Vaizdo kreditas: Miuncheno technikos universitetas LCC.
„Viena idėja yra panaši į Elisabeth [Gleiss] metodą, – sako Yageris, – prie kraujagyslės sienelės pritvirtinti įtempimo įtvarus, kad būtų kompensuojamos didelės lenkimo jėgos.Tačiau užuot naudoję apvijos procesą bako gamybai, naudojame AFP.Todėl galvojome sukurti atskirą slėginio indo sekciją, kurioje jau būtų integruoti stelažai.Šis metodas leido man sujungti kelis iš šių integruotų modulių ir uždėti galinį dangtelį, kad viskas būtų užsandarinta prieš galutinę AFP apviją.
„Stengiamės užbaigti tokią koncepciją, – tęsė jis, – taip pat pradedame medžiagų parinkimo bandymus, o tai labai svarbu norint užtikrinti reikiamą atsparumą H2 dujų prasiskverbimui.Tam daugiausia naudojame termoplastines medžiagas ir dirbame su įvairiais būdais, kaip medžiaga paveiks šį prasiskverbimą ir apdorojimą AFP mašinoje.Svarbu suprasti, ar gydymas turės poveikį ir ar reikalingas tolesnis apdorojimas.Mes taip pat norime žinoti, ar skirtingi kaminai turės įtakos vandenilio prasiskverbimui per slėginį indą.
Bakas bus visiškai pagamintas iš termoplastiko, o juosteles tieks Teijin Carbon Europe GmbH (Vupertalis, Vokietija)."Mes naudosime jų PPS [polifenileno sulfidą], PEEK [polieterio ketoną] ir LM PAEK [žemo lydymosi poliarilketono] medžiagas", - sakė Yageris.„Tada atliekami palyginimai, siekiant išsiaiškinti, kuris iš jų yra geriausias apsaugai nuo prasiskverbimo ir geresnių dalių gamybai.Jis tikisi per ateinančius metus užbaigti bandymus, struktūrinį ir procesų modeliavimą bei pirmąsias demonstracijas.
Tyrimas buvo atliktas pagal COMET modulį „Polymers4Hydrogen“ (ID 21647053) pagal Federalinės klimato kaitos, aplinkos, energetikos, mobilumo, inovacijų ir technologijų ministerijos ir Federalinės skaitmeninių technologijų ir ekonomikos ministerijos COMET programą..Autoriai dėkoja dalyvaujantiems 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), Tamperės universitetui (Inžinerijos fakultetas). Medžiagos).) Mokslas), Peak Technology ir Faurecia prisidėjo prie šio tiriamojo darbo.COMET-Modul finansuoja Austrijos vyriausybė ir Štirijos žemės vyriausybė.
Nešančiųjų konstrukcijų iš anksto sutvirtintuose lakštuose yra ištisinio pluošto – ne tik iš stiklo, bet ir iš anglies bei aramido.
Yra daug būdų, kaip gaminti sudėtines dalis.Todėl konkrečios dalies metodo pasirinkimas priklausys nuo medžiagos, detalės konstrukcijos ir galutinio naudojimo ar pritaikymo.Čia yra pasirinkimo vadovas.
„Shocker Composites“ ir „R&M International“ kuria perdirbto anglies pluošto tiekimo grandinę, kuri užtikrina nulinį skerdimą, mažesnes sąnaudas nei grynas pluoštas, o ilgainiui pasiūlys ilgį, kuris struktūrinėmis savybėmis priartės prie ištisinio pluošto.
Paskelbimo laikas: 2023-03-15