Стандардни резервоари са равним платформама за БЕВ и ФЦЕВ користе термопластичне и термореактивне композите са скелетном конструкцијом која обезбеђује 25% више складиштења Х2.#водоник #трендови
Након што је сарадња са БМВ-ом показала да кубични резервоар може да пружи већу запреминску ефикасност од више малих цилиндара, Технички универзитет у Минхену је започео пројекат развоја композитне структуре и скалабилног производног процеса за серијску производњу.Кредит слике: ТУ Дрезден (горе) лево), Технички универзитет у Минхену, Одсек за угљеничне композите (ЛЦЦ)
Електрична возила са горивим ћелијама (ФЦЕВ) која се напајају водоником са нултом емисијом (Х2) пружају додатна средства за постизање нултих еколошких циљева.Путнички аутомобил на гориве ћелије са мотором Х2 може се напунити за 5-7 минута и има домет од 500 км, али је тренутно скупљи због малих обима производње.Један од начина за смањење трошкова је коришћење стандардне платформе за БЕВ и ФЦЕВ моделе.Ово тренутно није могуће јер цилиндрични резервоари типа 4 који се користе за складиштење компримованог Х2 гаса (ЦГХ2) на 700 бара у ФЦЕВ возилима нису прикладни за одељке за батерије испод каросерије који су пажљиво дизајнирани за електрична возила.Међутим, посуде под притиском у облику јастука и коцке могу се уклопити у овај равни простор за паковање.
Патент УС5577630А за „Композитни конформни суд под притиском“, пријаву коју је поднела Тхиокол Цорп. 1995. (лево) и правоугаону посуду под притиском коју је патентирао БМВ 2009. (десно).
Одељење за угљеничне композите (ЛЦЦ) Техничког универзитета у Минхену (ТУМ, Минхен, Немачка) је укључено у два пројекта за развој овог концепта.Први је Полимерс4Хидроген (П4Х), који води Леобен Полимер Цомпетенце Центер (ПЦЦЛ, Леобен, Аустрија).Радни пакет ЛЦЦ-а води колегиница Елизабет Глејс.
Други пројекат је Демонстрационо и развојно окружење водоника (ХиДДен), где ЛЦЦ води истраживач Кристијан Јегер.Оба имају за циљ да створе масовну демонстрацију производног процеса за прављење одговарајућег резервоара ЦГХ2 користећи композите од угљеничних влакана.
Ограничена је волуметријска ефикасност када су цилиндри малог пречника уграђени у равне батеријске ћелије (лево) и кубне посуде под притиском типа 2 направљене од челичних облога и спољашњег омотача од угљеничних влакана/епоксидног композита (десно).Извор слике: Слике 3 и 6 су из „Приступ нумеричког дизајна за посуде са кутијом под притиском типа ИИ са унутрашњим затегнутим ногама“ аутора Руфа и Заремба ет ал.
П4Х је произвео експериментални коцкасти резервоар који користи термопластични оквир са композитним затезним тракама/опорницама умотаним у епоксид ојачан карбонским влакнима.ХиДДен ће користити сличан дизајн, али ће користити аутоматско полагање влакана (АФП) за производњу свих термопластичних композитних резервоара.
Од патентне пријаве компаније Тхиокол Цорп. до „композитног конформног посуда под притиском“ 1995. до немачког патента ДЕ19749950Ц2 из 1997. године, посуде за компримовани гас „могу имати било коју геометријску конфигурацију“, али посебно равне и неправилне облике, у шупљини која је повезана са носачем шкољке. .елементи се користе тако да могу да издрже силу ширења гаса.
У раду Националне лабораторије Лоренса Ливермора (ЛЛНЛ) из 2006. године описана су три приступа: конформна посуда под притиском намотана филаментима, микрорешеткаста посуда под притиском која садржи унутрашњу орторомбичну решеткасту структуру (мале ћелије од 2 цм или мање), окружена танкозидним Х2 контејнером, и контејнер репликатора, који се састоји од унутрашње структуре која се састоји од залепљених малих делова (нпр. хексагонални пластични прстенови) и композиције од танке спољашње омотаче.Дупли контејнери су најприкладнији за веће контејнере у којима је тешко применити традиционалне методе.
Патент ДЕ102009057170А који је поднео Волксваген 2009. године описује посуду под притиском монтирану на возило која ће обезбедити високу ефикасност тежине уз побољшање искоришћења простора.Правоугаони резервоари користе затезне конекторе између два правоугаона супротна зида, а углови су заобљени.
Горе наведени и други концепти су цитирани од стране Глеисса у раду „Развој процеса за посуде под кубичним притиском са растезљивим шипкама“ Глеисс ет ал.на ЕЦЦМ20 (26-30. јун 2022, Лозана, Швајцарска).У овом чланку она цитира студију ТУМ коју су објавили Мицхаел Рооф и Свен Заремба, а која је открила да је кубична посуда под притиском са затезним подупирачима који повезују правоугаоне стране ефикаснија од неколико малих цилиндара који се уклапају у простор празне батерије, пружајући отприлике 25 % више.складишни простор.
Према Глеиссу, проблем са уградњом великог броја малих цилиндара типа 4 у равно кућиште је у томе што је „запремина између цилиндара у великој мери смањена и систем такође има веома велику површину пропуштања гаса Х2.Све у свему, систем пружа мањи капацитет складиштења од кубичних тегли."
Међутим, постоје и други проблеми са кубичним дизајном резервоара."Очигледно, због компримованог гаса, морате да се супротставите силама савијања на равним зидовима", рекао је Глеисс.„За ово вам је потребна ојачана структура која се изнутра повезује са зидовима резервоара.Али то је тешко урадити са композитима."
Глејс и њен тим покушали су да уграде затезне шипке за ојачање у посуду под притиском на начин који би био прикладан за процес намотавања филамента.„Ово је важно за производњу великог обима“, објашњава она, „и такође нам омогућава да дизајнирамо шаблон намотаја зидова контејнера како бисмо оптимизовали оријентацију влакана за свако оптерећење у зони.“
Четири корака за прављење пробног кубичног композитног резервоара за пројекат П4Х.Кредит слике: „Развој производног процеса за кубичне посуде под притиском са носачем“, Технички универзитет у Минхену, пројекат Полимерс4Хидроген, ЕЦЦМ20, јун 2022.
Да би се постигао он-ланац, тим је развио нови концепт који се састоји од четири главна корака, као што је приказано изнад.Затезни подупирачи, приказани црном бојом на степеницама, су префабрикована конструкција оквира израђена коришћењем метода преузетих из пројекта МАИ Скелетт.За овај пројекат, БМВ је развио „оквир“ оквира ветробранског стакла користећи четири пултрузионе шипке ојачане влакнима, које су потом обликоване у пластични оквир.
Оквир експерименталног кубичног резервоара.Хексагонални скелетни делови 3Д штампани од стране ТУМ-а коришћењем неојачаног ПЛА филамента (горе), уметањем ЦФ/ПА6 пултрузионих шипки као затезних стезача (средина) и затим омотавањем филамента око носача (доле).Кредит за слику: Технички универзитет у Минхену ЛЦЦ.
„Идеја је да можете изградити оквир кубичног резервоара као модуларну структуру“, рекао је Глејс.„Ови модули се затим постављају у алат за обликовање, затезни подупирачи се постављају у модуле оквира, а затим се метода МАИ Скелетт-а користи око подупирача да би се интегрисали са деловима оквира.“метод масовне производње, што резултира структуром која се затим користи као трн или језгро за омотавање композитног омотача резервоара за складиштење.
ТУМ је дизајнирао оквир резервоара као кубични „јастук“ са чврстим странама, заобљеним угловима и хексагоналним узорком на врху и дну кроз који се могу уметнути и причврстити везице.Рупе за ове полице су такође 3Д штампане.„За наш почетни експериментални резервоар, 3Д штампали смо хексагоналне делове оквира користећи полимлечну киселину [ПЛА, термопласт на биолошкој бази] јер је било лако и јефтино“, рекао је Глејс.
Тим је купио 68 штапова од полиамида 6 (ПА6) ојачаних карбонским влакнима од СГЛ Царбон (Мајтинген, Немачка) за употребу као везице.„Да бисмо тестирали концепт, нисмо радили никакво обликовање“, каже Глеисс, „већ смо једноставно убацили одстојнике у 3Д штампани оквир са саћем и залепили их епоксидним лепком.Ово онда обезбеђује трн за намотавање резервоара."Она напомиње да иако се ове шипке релативно лако намотају, постоје неки значајни проблеми који ће бити описани касније.
„У првој фази, наш циљ је био да демонстрирамо производност дизајна и идентификујемо проблеме у концепту производње“, објаснио је Глеисс.„Дакле, затезни подупирачи вире из спољне површине скелетне структуре, а ми причвршћујемо угљенична влакна на ово језгро помоћу намотаја мокрих филамената.Након тога, у трећем кораку, савијамо главу сваке вучне шипке.термопласт, тако да само користимо топлоту да преобликујемо главу тако да се спљошти и закључа у први слој омота.Затим настављамо да поново омотамо структуру тако да је равна потисна глава геометријски затворена унутар резервоара.ламинат на зидовима.
Одстојни поклопац за намотавање.ТУМ користи пластичне поклопце на крајевима затезних шипки како би спречио да се влакна запетљају током намотавања филамента.Кредит за слику: Технички универзитет у Минхену ЛЦЦ.
Глејс је поновио да је овај први тенк био доказ концепта.„Употреба 3Д штампања и лепка била је само за почетно тестирање и дала нам је идеју о неколико проблема на које смо наишли.На пример, током намотавања, филаменти су ухваћени за крајеве затезних шипки, узрокујући ломљење влакана, оштећење влакана и смањење количине влакана да би се супротставило томе.користили смо неколико пластичних капица као помоћна средства за производњу која су постављена на стубове пре првог корака намотавања. Затим, када су направљени унутрашњи ламинати, уклонили смо ове заштитне капе и преобликовали крајеве стубова пре коначног умотавања.”
Тим је експериментисао са различитим сценаријима реконструкције.„Најбоље раде они који гледају около“, каже Грејс.„Такође, током фазе израде прототипа, користили смо модификовани алат за заваривање да применимо топлоту и преобликујемо крајеве анкера.У концепту масовне производње, имали бисте један већи алат који може обликовати и формирати све крајеве подупирача у унутрашњи завршни ламинат у исто време..”
Главе вучне траке су преобликоване.ТУМ је експериментисао са различитим концептима и модификовао заваре како би поравнао крајеве композитних везица за причвршћивање на ламинат на зиду резервоара.Кредит слике: „Развој производног процеса за кубичне посуде под притиском са носачем“, Технички универзитет у Минхену, пројекат Полимерс4Хидроген, ЕЦЦМ20, јун 2022.
Тако се ламинат очвршћава након првог корака намотавања, стубови се преобликују, ТУМ завршава друго намотавање филамената, а затим се ламинат спољног зида резервоара очвршћава други пут.Имајте на уму да је ово дизајн резервоара типа 5, што значи да нема пластичну облогу као гасну баријеру.Погледајте дискусију у одељку Следећи кораци у наставку.
„Изрезали смо први демо на попречне пресеке и мапирали повезано подручје“, рекао је Глејс.„Крупни план показује да смо имали неких проблема са квалитетом ламината, јер главе подупирача нису лежале равно на унутрашњем ламинату.
Решавање проблема са празнинама између ламината унутрашњих и спољашњих зидова резервоара.Модификована глава анкера ствара размак између првог и другог окрета експерименталног резервоара.Кредит за слику: Технички универзитет у Минхену ЛЦЦ.
Овај почетни резервоар димензија 450 к 290 к 80 мм завршен је прошлог лета.„Од тада смо много напредовали, али још увек имамо јаз између унутрашњег и спољашњег ламината“, рекао је Глејс.„Зато смо покушали да попунимо те празнине чистом смолом високог вискозитета.Ово заправо побољшава везу између клинова и ламината, што у великој мери повећава механички стрес."
Тим је наставио да развија дизајн и процес резервоара, укључујући решења за жељени образац намотаја.„Бочне стране тестног резервоара нису биле потпуно увијене јер је овој геометрији било тешко да направи кривудаву путању“, објаснио је Глејс.„Наш почетни угао намотавања био је 75°, али смо знали да је потребно више кола да би се испунило оптерећење у овој посуди под притиском.Још увек тражимо решење за овај проблем, али то није лако са софтвером који је тренутно на тржишту.То може постати наставак пројекта.
„Показали смо изводљивост овог производног концепта“, каже Глеисс, „али морамо даље да радимо на побољшању везе између ламината и преобликовању спона.„Спољно тестирање на машини за тестирање.Извлачите одстојнике из ламината и тестирате механичка оптерећења која ти спојеви могу издржати."
Овај део пројекта Полимерс4Хидроген биће завршен крајем 2023. године, до када се Глеис нада да ће завршити други демонстрациони резервоар.Занимљиво је да дизајни данас користе уредне ојачане термопластике у оквиру и термореактивне композите у зидовима резервоара.Да ли ће се овај хибридни приступ користити у коначном демонстрационом резервоару?„Да“, рекла је Грејс.„Наши партнери у пројекту Полимерс4Хидроген развијају епоксидне смоле и друге композитне матричне материјале са бољим својствима водоничне баријере.Она наводи два партнера који раде на овом послу, ПЦЦЛ и Универзитет у Тампереу (Тампере, Финска).
Глеисс и њен тим су такође разменили информације и разговарали о идејама са Јаегером о другом ХиДДен пројекту из ЛЦЦ конформног композитног резервоара.
„Производићемо конформну композитну посуду под притиском за истраживачке беспилотне летелице“, каже Јегер.„Ово је сарадња између два одељења Ваздушно-геодетског одељења ТУМ – ЛЦЦ и Одељења за хеликоптерску технологију (ХТ).Пројекат ће бити завршен до краја 2024. године и тренутно завршавамо посуду под притиском.дизајн који је више приступ ваздухопловству и аутомобилизму.Након ове почетне фазе концепта, следећи корак је извођење детаљног структуралног моделирања и предвиђање перформанси баријере зидне структуре.
„Цела идеја је да се развије истраживачка беспилотна летелица са хибридним погонским системом са горивном ћелијом и батеријом“, наставио је он.Користиће батерију током великих оптерећења (тј. полетања и слетања), а затим ће се пребацити на горивну ћелију током крстарења са малим оптерећењем.„Тим ХТ-а је већ имао истраживачки дрон и редизајнирао је погон да користи и батерије и горивне ћелије“, рекао је Иеагер.„Такође су купили резервоар ЦГХ2 да би тестирали овај пренос.“
„Мој тим је имао задатак да направи прототип резервоара под притиском који би одговарао, али не због проблема са паковањем које би створио цилиндрични резервоар“, објашњава он.„Плашнији резервоар не нуди толики отпор ветру.Тако добијате боље перформансе лета."Димензије резервоара прибл.830 к 350 к 173 мм.
Потпуно термопластични резервоар компатибилан са АФП.За ХиДДен пројекат, ЛЦЦ тим у ТУМ-у је у почетку истраживао сличан приступ оном који је користио Глаце (горе), али је затим прешао на приступ користећи комбинацију неколико структурних модула, који су затим прекомерно коришћени коришћењем АФП-а (доле).Кредит за слику: Технички универзитет у Минхену ЛЦЦ.
„Једна идеја је слична Елисабетх [Глеиссовом] приступу“, каже Иагер, „да се на зид посуде постави затезна затеза како би се компензовале велике силе савијања.Међутим, уместо да користимо процес намотавања за прављење резервоара, користимо АФП.Стога смо размишљали о стварању посебног дела посуде под притиском, у који су регали већ интегрисани.Овај приступ ми је омогућио да комбинујем неколико ових интегрисаних модула, а затим применим завршни поклопац да запечатим све пре коначног АФП намотаја.
„Покушавамо да финализујемо такав концепт“, наставио је он, „а такође почнемо да тестирамо избор материјала, што је веома важно да би се обезбедила неопходна отпорност на продирање гаса Х2.За ово углавном користимо термопластичне материјале и радимо на различитим начинима на који ће материјал утицати на ово понашање пропусности и обраду у АФП машини.Важно је разумети да ли ће третман имати ефекта и да ли је потребна накнадна обрада.Такође желимо да знамо да ли ће различити слојеви утицати на пропусност водоника кроз посуду под притиском.
Резервоар ће у потпуности бити направљен од термопласта, а траке ће испоручити Теијин Царбон Еуропе ГмбХ (Вупертал, Немачка).„Користицемо њихове ППС [полифенилен сулфид], ПЕЕК [полиетер кетон] и ЛМ ПАЕК [полиарил кетон ниског топљења] материјале“, рекао је Иагер.„Потом се праве поређења да би се видело који је најбољи за заштиту од продирања и производњу делова са бољим перформансама.“Нада се да ће у наредној години завршити тестирање, структурно и процесно моделирање и прве демонстрације.
Истраживачки рад је обављен у оквиру ЦОМЕТ модула „Полимерс4Хидроген“ (ИД 21647053) у оквиру ЦОМЕТ програма Федералног министарства за климатске промјене, околиш, енергију, мобилност, иновације и технологију и Федералног министарства за дигиталну технологију и економију..Аутори се захваљују партнерима учесницима Полимер Цомпетенце Центре Леобен ГмбХ (ПЦЦЛ, Аустрија), Монтануниверситает Леобен (Факултет за полимерско инжењерство и науку, Департман за хемију полимерних материјала, Одсек за науку о материјалима и испитивање полимера), Универзитет у Тампереу (Факултет инжењеринга Материјали).) Сциенце), Пеак Тецхнологи и Фаурециа допринели су овом истраживачком раду.ЦОМЕТ-Модул финансирају влада Аустрије и влада државе Штајерске.
Претходно ојачани лимови за носеће конструкције садрже континуална влакна – не само од стакла, већ и од угљеника и арамида.
Постоји много начина за прављење композитних делова.Стога ће избор методе за одређени део зависити од материјала, дизајна дела и крајње употребе или примене.Ево водича за избор.
Схоцкер Цомпоситес и Р&М Интернатионал развијају ланац снабдевања рециклираним угљеничним влакнима који обезбеђује нулту смртност, нижу цену од девичанских влакана и на крају ће понудити дужине које се приближавају континуалним влакнима у структуралним својствима.
Време поста: 15.03.2023