Standarta plakanās platformas tvertnēs BEV un FCEV tiek izmantoti termoplastiskie un termoreaktīvie kompozītmateriāli ar skeleta konstrukciju, kas nodrošina par 25 % lielāku H2 uzglabāšanu. #ūdeņradis #tendences
Pēc tam, kad sadarbība ar BMW parādīja, ka kubiska tvertne var nodrošināt lielāku tilpuma efektivitāti nekā vairāki mazi cilindri, Minhenes Tehniskā universitāte uzsāka projektu, lai izstrādātu kompozītmateriālu struktūru un mērogojamu ražošanas procesu sērijveida ražošanai. Attēla kredīts: TU Dresden (augšā pa kreisi), Minhenes Tehniskā universitāte, Oglekļa kompozītu katedra (LCC)
Ar degvielas elementu aprīkoti elektriskie transportlīdzekļi (FCEV), ko darbina bezizmešu (H2) ūdeņradis, nodrošina papildu līdzekļus nulles vides mērķu sasniegšanai. Ar degvielas elementu darbināmu vieglo automobili ar H2 dzinēju var uzpildīt 5–7 minūtēs, un tā nobraukums ir 500 km, taču pašlaik tas ir dārgāks zemo ražošanas apjomu dēļ. Viens no veidiem, kā samazināt izmaksas, ir izmantot standarta platformu BEV un FCEV modeļiem. Pašlaik tas nav iespējams, jo 4. tipa cilindriskās tvertnes, ko izmanto saspiestas H2 gāzes (CGH2) uzglabāšanai pie 700 bāru spiediena FCEV, nav piemērotas akumulatora nodalījumiem zem šasijas, kas ir rūpīgi izstrādāti elektriskajiem transportlīdzekļiem. Tomēr šajā plakanajā iepakojuma telpā var ievietot spiediena traukus spilvenu un kubu veidā.
Patents US5577630A par “Salikto konformālo spiedtvertni”, pieteikumu iesniedza Thiokol Corp. 1995. gadā (pa kreisi) un taisnstūrveida spiedtvertni, ko BMW patentēja 2009. gadā (pa labi).
Minhenes Tehniskās universitātes (TUM, Minhene, Vācija) Oglekļa kompozītu katedra (LCC) ir iesaistīta divos projektos, lai izstrādātu šo koncepciju. Pirmais ir Polymers4Hydrogen (P4H), ko vada Leobenas Polimēru kompetences centrs (PCCL, Leobena, Austrija). LCC darba pakotni vada stipendiāte Elizabete Gleisa.
Otrais projekts ir Ūdeņraža demonstrācijas un attīstības vide (HyDDen), kur LCC vada pētnieks Kristians Jēgers. Abu mērķis ir izveidot liela mēroga ražošanas procesa demonstrāciju piemērotas CGH2 tvertnes izgatavošanai, izmantojot oglekļa šķiedras kompozītmateriālus.
Ja plakanās akumulatoru šūnās (pa kreisi) un kubiskā 2. tipa spiedtvertnēs, kas izgatavotas no tērauda oderējuma un oglekļa šķiedras/epoksīda kompozītmateriāla ārējā apvalka (pa labi), tiek uzstādīti maza diametra cilindri, tilpuma efektivitāte ir ierobežota. Attēla avots: 3. un 6. attēls ir no Rufa un Zarembas u. c. darba “Skaitliskā projektēšanas pieeja II tipa spiediena kastes tvertnei ar iekšējām spriegošanas kājām”.
P4H ir izgatavojis eksperimentālu kuba formas tvertni, kurā izmantots termoplastiskais rāmis ar kompozītmateriāla spriegošanas siksnām/statņiem, kas ietīti ar oglekļa šķiedru pastiprinātā epoksīda sveķiem. HyDDen izmantos līdzīgu dizainu, bet visu termoplastisko kompozītmateriālu tvertņu ražošanai izmantos automātisko šķiedru kārtu (AFP).
No Thiokol Corp. patenta pieteikuma “Composite Conformal Pressure Vessel” 1995. gadā līdz Vācijas patentam DE19749950C2 1997. gadā saspiestās gāzes tvertnēm “var būt jebkura ģeometriska konfigurācija”, bet jo īpaši plakanas un neregulāras formas, dobumā, kas savienots ar korpusa balstu. Tiek izmantoti elementi, lai tie varētu izturēt gāzes izplešanās spēku.
2006. gada Lorensa Livermora Nacionālās laboratorijas (LLNL) rakstā ir aprakstītas trīs pieejas: ar pavedienu tīta konformāla spiedientvertne, mikrorežģa spiedientvertne, kas satur iekšēju ortorombisku režģa struktūru (mazas šūnas, kuru izmērs ir 2 cm vai mazāks), ko ieskauj plānsienu H2 tvertne, un replikatora tvertne, kas sastāv no iekšējās struktūras, kas sastāv no salīmētām mazām detaļām (piemēram, sešstūrainiem plastmasas gredzeniem) un plānas ārējās apvalka kompozīcijas. Dublikātu tvertnes vislabāk piemērotas lielākiem tvertnēm, kur tradicionālās metodes var būt grūti pielietot.
Patents DE102009057170A, ko Volkswagen iesniedza 2009. gadā, apraksta transportlīdzeklī montējamu spiedtvertni, kas nodrošinās augstu svara efektivitāti, vienlaikus uzlabojot telpas izmantošanu. Taisnstūrveida tvertnēs tiek izmantoti spriegošanas savienotāji starp divām taisnstūrveida pretējām sienām, un stūri ir noapaļoti.
Iepriekš minētos un citus jēdzienus Gleisa citē savā rakstā “Procesa izstrāde kubiskiem spiedtvertnēm ar stiepes stieņiem” (“Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars”), ko Gleisa un līdzautori publicēja ECCM20 konferencē (2022. gada 26.–30. jūnijā, Lozannā, Šveicē). Šajā rakstā viņa citē Maikla Rūfa un Svena Zarembas publicēto TUM pētījumu, kurā konstatēts, ka kubisks spiedtvertne ar spriegošanas statņiem, kas savieno taisnstūrveida malas, ir efektīvāka nekā vairāki mazi cilindri, kas ietilpst izlādētas baterijas telpā, nodrošinot aptuveni par 25% vairāk uzglabāšanas vietas.
Pēc Gleisa teiktā, problēma, uzstādot lielu skaitu mazu 4. tipa balonu plakanā korpusā, ir tā, ka "tilpums starp baloniem ir ievērojami samazināts, un sistēmai ir arī ļoti liela H2 gāzes caurlaidības virsma. Kopumā sistēma nodrošina mazāku uzglabāšanas ietilpību nekā kubiskās burkas."
Tomēr pastāv arī citas problēmas ar tvertnes kubisko konstrukciju. "Acīmredzot, saspiestās gāzes dēļ ir jākompensē lieces spēki uz plakanajām sienām," sacīja Gleiss. "Šim nolūkam ir nepieciešama pastiprināta konstrukcija, kas iekšēji savienojas ar tvertnes sienām. Bet to ir grūti izdarīt ar kompozītmateriāliem."
Gleisa un viņas komanda centās spiedtvertnē iestrādāt armatūras spriegošanas stieņus tādā veidā, kas būtu piemērots kvēldiega tīšanas procesam. “Tas ir svarīgi lielapjoma ražošanai,” viņa skaidro, “un tas arī ļauj mums izstrādāt tvertnes sienu tīšanas rakstu, lai optimizētu šķiedru orientāciju katrai slodzei zonā.”
Četri soļi, lai izveidotu izmēģinājuma kubisku kompozītmateriāla tvertni P4H projektam. Attēla kredīts: “Kubisku spiedtvertņu ar stiprinājumu ražošanas procesa izstrāde”, Minhenes Tehniskā universitāte, Polymers4Hydrogen projekts, ECCM20, 2022. gada jūnijs.
Lai panāktu ķēdes savienojumu, komanda ir izstrādājusi jaunu koncepciju, kas sastāv no četriem galvenajiem pakāpieniem, kā parādīts iepriekš. Spriegošanas statņi, kas uz pakāpieniem attēloti melnā krāsā, ir iepriekš izgatavota rāmja konstrukcija, kas izgatavota, izmantojot metodes, kas ņemtas no MAI Skelett projekta. Šim projektam BMW izstrādāja vējstikla rāmja “rāmi”, izmantojot četrus ar šķiedru pastiprinātus pultrūzijas stieņus, kas pēc tam tika ielieti plastmasas rāmī.
Eksperimentālas kubiskas tvertnes rāmis. Sešstūrainas skeleta sekcijas, kas drukātas 3D formātā ar TUM palīdzību, izmantojot nepastiprinātu PLA kvēldiegu (augšā), ievietojot CF/PA6 pultrūzijas stieņus kā spriegošanas stiprinājumus (vidū) un pēc tam aptinot kvēldiegu ap stiprinājumiem (apakšā). Attēla kredīts: Minhenes Tehniskā universitāte LCC.
“Ideja ir tāda, ka kubiskā tvertnes rāmi var uzbūvēt kā modulāru struktūru,” sacīja Gleiss. “Pēc tam šie moduļi tiek ievietoti formēšanas instrumentā, spriegošanas statņi tiek ievietoti rāmja moduļos, un pēc tam ap statņiem tiek izmantota MAI Skeleta metode, lai tos integrētu ar rāmja detaļām.” masveida ražošanas metodi, kā rezultātā tiek iegūta struktūra, ko pēc tam izmanto kā veidni vai serdi, lai aptītu uzglabāšanas tvertnes kompozītmateriāla apvalku.
TUM projektēja tvertnes rāmi kā kubisku “spilvenu” ar cietām malām, noapaļotiem stūriem un sešstūra rakstu augšpusē un apakšā, caur kuru var ievietot un piestiprināt saites. Arī šo plauktu caurumi tika drukāti 3D drukātā veidā. “Mūsu sākotnējai eksperimentālajai tvertnei mēs 3D drukājām sešstūra rāmja sekcijas, izmantojot polipienskābi [PLA, bioloģiskas izcelsmes termoplastu], jo tas bija vienkārši un lēti,” sacīja Gleiss.
Komanda no SGL Carbon (Meitingena, Vācija) iegādājās 68 pultrudētas oglekļa šķiedras pastiprinātas poliamīda 6 (PA6) stieņus, lai tos izmantotu kā saites. "Lai pārbaudītu koncepciju, mēs neveicām nekādu formēšanu," saka Gleisa, "bet vienkārši ievietojām starplikas 3D drukātā šūnveida serdes rāmī un salīmējām tās ar epoksīda līmi. Tas pēc tam nodrošina stieni tvertnes uztīšanai." Viņa norāda, ka, lai gan šos stieņus ir samērā viegli uztīt, pastāv dažas būtiskas problēmas, kas tiks aprakstītas vēlāk.
“Pirmajā posmā mūsu mērķis bija demonstrēt konstrukcijas ražojamību un identificēt problēmas ražošanas koncepcijā,” skaidroja Gleiss. “Tātad spriegošanas statņi izvirzās no skeleta struktūras ārējās virsmas, un mēs piestiprinām oglekļa šķiedras pie šī kodola, izmantojot mitro pavedienu tinumu. Pēc tam trešajā solī mēs saliecam katra stieņa galviņu. Termoplasts, tāpēc mēs vienkārši izmantojam siltumu, lai pārveidotu galviņu tā, lai tā saplacinātos un nofiksētos pirmajā iesaiņojuma slānī. Pēc tam mēs atkal turpinām konstrukciju ietīt tā, lai plakanā aksiālā galviņa būtu ģeometriski ietverta tvertnē. Lamināts uz sienām.”
Starplikas vāciņš tīšanai. TUM izmanto plastmasas vāciņus spriegošanas stieņu galos, lai novērstu šķiedru sapīšanos kvēldiega tīšanas laikā. Attēla kredīts: Minhenes Tehniskā universitāte LCC.
Gleiss atkārtoti uzsvēra, ka šī pirmā tvertne ir koncepcijas pierādījums. “3D drukāšanas un līmes izmantošana bija paredzēta tikai sākotnējai testēšanai un deva mums priekšstatu par dažām problēmām, ar kurām mēs saskārāmies. Piemēram, tīšanas laikā kvēldiegi tika aizķerti aiz spriegošanas stieņu galiem, izraisot šķiedru lūzumu, bojājumus un samazinot šķiedras daudzumu, lai to novērstu. Lai to novērstu, mēs izmantojām dažus plastmasas vāciņus kā ražošanas palīglīdzekļus, kas tika uzlikti uz stabiem pirms pirmā tīšanas posma. Pēc tam, kad tika izgatavoti iekšējie lamināti, mēs noņēmām šos aizsargvāciņus un pārveidojām stabu galus pirms galīgās tīšanas.”
Komanda eksperimentēja ar dažādiem rekonstrukcijas scenārijiem. “Tie, kas paskatās apkārt, strādā vislabāk,” saka Greisa. “Turklāt prototipu veidošanas fāzē mēs izmantojām modificētu metināšanas instrumentu, lai pielietotu siltumu un pārveidotu stūres stieņu galus. Masveida ražošanas koncepcijā būtu viens lielāks instruments, kas vienlaikus varētu veidot un pārveidot visus statņu galus iekšējās apdares laminātā.”
Vilkšanas stieņu galviņu forma mainīta. TUM eksperimentēja ar dažādām koncepcijām un modificēja metinājuma šuves, lai saskaņotu kompozītmateriālu saišu galus stiprināšanai pie tvertnes sienas lamināta. Attēla kredīts: “Kubiskā spiediena trauku ar stiprinājumu ražošanas procesa izstrāde”, Minhenes Tehniskā universitāte, Polymers4Hydrogen projekts, ECCM20, 2022. gada jūnijs.
Tādējādi lamināts tiek sacietēts pēc pirmās tīšanas darbības, stabi tiek pārveidoti, TUM pabeidz kvēldiegu otro tīšanu un pēc tam ārējās tvertnes sienas lamināts tiek sacietēts otro reizi. Lūdzu, ņemiet vērā, ka šī ir 5. tipa tvertnes konstrukcija, kas nozīmē, ka tai nav plastmasas oderējuma kā gāzes barjeras. Skatiet diskusiju sadaļā “Nākamās darbības” zemāk.
“Mēs sagriezām pirmo demonstrācijas materiālu šķērsgriezumos un kartējām savienoto zonu,” sacīja Gleiss. “Tuvplānā redzams, ka mums bija dažas kvalitātes problēmas ar laminātu, jo statņu galvas nebija līdzeni novietotas uz iekšējā lamināta.”
Problēmu risināšana ar spraugām starp tvertnes iekšējās un ārējās sienas laminātu. Modificētā savienojuma stieņa galva rada spraugu starp eksperimentālās tvertnes pirmo un otro vijumu. Attēla kredīts: Minhenes Tehniskā universitāte LCC.
Šī sākotnējā 450 x 290 x 80 mm tvertne tika pabeigta pagājušajā vasarā. “Kopš tā laika esam daudz paveikuši, taču starp iekšējo un ārējo laminātu joprojām ir plaisa,” sacīja Gleiss. “Tāpēc mēs centāmies aizpildīt šīs spraugas ar tīru, augstas viskozitātes sveķu maisījumu. Tas faktiski uzlabo savienojumu starp stiprinājumiem un laminātu, kas ievērojami palielina mehānisko spriegumu.”
Komanda turpināja izstrādāt tvertnes dizainu un procesu, tostarp risinājumus vēlamajam tinuma modelim. "Testa tvertnes malas nebija pilnībā saliektas, jo šai ģeometrijai bija grūti izveidot tinuma ceļu," skaidroja Gleiss. "Mūsu sākotnējais tinuma leņķis bija 75°, taču mēs zinājām, ka, lai nodrošinātu slodzi šajā spiedientvertnē, ir nepieciešamas vairākas ķēdes. Mēs joprojām meklējam risinājumu šai problēmai, taču tas nav viegli ar pašlaik tirgū pieejamo programmatūru. Tas varētu kļūt par turpmāko projektu."
“Mēs esam pierādījuši šīs ražošanas koncepcijas iespējamību,” saka Gleiss, “taču mums ir jāturpina strādāt, lai uzlabotu savienojumu starp laminātu un pārveidotu stieņu formu. Ārēja pārbaude uz testēšanas iekārtas. Jūs izvelkat starplikas no lamināta un pārbaudāt mehāniskās slodzes, ko šie savienojumi var izturēt.”
Šī Polymers4Hydrogen projekta daļa tiks pabeigta 2023. gada beigās, un līdz tam laikam Gleisa cer pabeigt otro demonstrācijas tvertni. Interesanti, ka mūsdienu projektos rāmī tiek izmantoti glīti pastiprināti termoplasti un tvertnes sienās — termoreaktīvi kompozītmateriāli. Vai šī hibrīdpieeja tiks izmantota galīgajā demonstrācijas tvertnē? "Jā," sacīja Greisa. "Mūsu partneri Polymers4Hydrogen projektā izstrādā epoksīdsveķus un citus kompozītmateriālu matricas materiālus ar labākām ūdeņraža barjeras īpašībām." Viņa uzskaita divus partnerus, kas strādā pie šī darba, — PCCL un Tamperes Universitāti (Tampere, Somija).
Gleisa un viņas komanda arī apmainījās ar informāciju un apsprieda idejas ar Jēgeru par otro HyDDen projektu no LCC konformālās kompozītmateriāla tvertnes.
“Mēs ražosim konformālu kompozītmateriāla spiedtvertni pētniecības droniem,” saka Jēgers. “Šis ir sadarbības projekts starp divām TUM Aerokosmosa un ģeodēzijas katedras nodaļām – LCC un Helikopteru tehnoloģiju katedru (HT). Projekts tiks pabeigts līdz 2024. gada beigām, un mēs pašlaik pabeidzam spiedtvertnes izstrādi. Šis dizains vairāk atbilst kosmosa un autobūves pieejai. Pēc šī sākotnējā koncepcijas posma nākamais solis ir veikt detalizētu konstrukcijas modelēšanu un prognozēt sienas konstrukcijas barjeras veiktspēju.”
“Visa ideja ir izstrādāt izpētes dronu ar hibrīda degvielas elementu un akumulatora piedziņas sistēmu,” viņš turpināja. Tas izmantos akumulatoru lielas jaudas slodzes laikā (t. i., pacelšanās un nolaišanās laikā) un pēc tam pārslēgsies uz degvielas elementu vieglas slodzes laikā. “HT komandai jau bija pētniecības drons, un tā pārveidoja spēka agregātu, lai izmantotu gan akumulatorus, gan degvielas elementus,” sacīja Jēgers. “Viņi arī iegādājās CGH2 tvertni, lai pārbaudītu šo transmisiju.”
“Manai komandai tika uzdots izveidot spiediena tvertnes prototipu, kas derētu, taču ne cilindriskas tvertnes radīto iepakojuma problēmu dēļ,” viņš skaidro. “Plašāka tvertne nenodrošina tik lielu vēja pretestību. Tādējādi tiek panākta labāka lidojuma veiktspēja.” Tvertnes izmēri ir aptuveni 830 x 350 x 173 mm.
Pilnībā termoplastiskai AFP atbilstoša tvertne. HyDDen projektam TUM LCC komanda sākotnēji izpētīja līdzīgu pieeju tai, ko izmantoja Glace (augšpusē), bet pēc tam pārgāja uz pieeju, kurā tika izmantota vairāku strukturālo moduļu kombinācija, kurus pēc tam pārmērīgi izmantoja AFP (zemāk). Attēla kredīts: Minhenes Tehniskā universitāte LCC.
“Viena ideja ir līdzīga Elizabetes [Gleisas] pieejai,” saka Jāgers, “pielikt spriegošanas stiprinājumus pie tvertnes sienas, lai kompensētu lielos lieces spēkus. Tomēr tvertnes izgatavošanai mēs neizmantojām tinšanas procesu, bet gan AFP. Tāpēc mēs domājām par atsevišķas spiedtvertnes daļas izveidi, kurā jau ir integrēti plaukti. Šī pieeja ļāva man apvienot vairākus no šiem integrētajiem moduļiem un pēc tam uzlikt gala vāciņu, lai visu noslēgtu pirms AFP galīgās tinšanas.”
“Mēs cenšamies pabeigt šādu koncepciju,” viņš turpināja, “un arī sākam testēt materiālu izvēli, kas ir ļoti svarīgi, lai nodrošinātu nepieciešamo izturību pret H2 gāzes iekļūšanu. Šim nolūkam mēs galvenokārt izmantojam termoplastiskus materiālus un strādājam pie dažādiem veidiem, kā materiāls ietekmēs šo iesūkšanās uzvedību un apstrādi AFP iekārtā. Ir svarīgi saprast, vai apstrādei būs ietekme un vai ir nepieciešama kāda pēcapstrāde. Mēs arī vēlamies zināt, vai dažādi skursteņi ietekmēs ūdeņraža iesūkšanos caur spiediena trauku.”
Tvertne tiks pilnībā izgatavota no termoplastmasas, un sloksnes piegādās Teijin Carbon Europe GmbH (Vupertāle, Vācija). "Mēs izmantosim viņu PPS [polifenilēnsulfīda], PEEK [poliētera ketona] un LM PAEK [zemas kušanas temperatūras poliarilketona] materiālus," sacīja Jēgers. "Pēc tam tiek veiktas salīdzināšanas, lai noskaidrotu, kurš no tiem ir vislabākais aizsardzībai pret iekļūšanu un detaļu ražošanai ar labāku veiktspēju." Viņš cer pabeigt testēšanu, strukturālo un procesu modelēšanu un pirmās demonstrācijas nākamā gada laikā.
Pētniecības darbs tika veikts COMET moduļa “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) ietvaros Federālās klimata pārmaiņu, vides, enerģētikas, mobilitātes, inovāciju un tehnoloģiju ministrijas un Federālās digitālo tehnoloģiju un ekonomikas ministrijas COMET programmas ietvaros. Autori pateicas iesaistītajiem partneriem Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Austrija), Montanuniversitaet Leoben (Polimēru inženierijas un zinātnes fakultāte, Polimēru materiālu ķīmijas katedra, Materiālzinātnes un polimēru testēšanas katedra), Tamperes Universitātei (Inženiermateriālu fakultāte). ) zinātnes), Peak Technology un Faurecia, kas sniedza savu ieguldījumu šajā pētniecības darbā. COMET moduli finansē Austrijas valdība un Štīrijas federālās zemes valdība.
Nesošo konstrukciju iepriekš pastiprinātās loksnes satur nepārtrauktas šķiedras – ne tikai no stikla, bet arī no oglekļa un aramīda.
Ir daudz veidu, kā izgatavot kompozītmateriālu detaļas. Tāpēc metodes izvēle konkrētai detaļai būs atkarīga no materiāla, detaļas konstrukcijas un galīgā lietojuma vai pielietojuma. Šeit ir izvēles ceļvedis.
Shocker Composites un R&M International izstrādā pārstrādātas oglekļa šķiedras piegādes ķēdi, kas nodrošina nulles kaušanu, zemākas izmaksas nekā neapstrādāta šķiedra un galu galā piedāvās garumus, kas strukturālo īpašību ziņā tuvojas nepārtrauktai šķiedrai.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 15. marts