Standardtankar med platta plattformar för laddbara och bränsleförbrukande bränsleförbrukningsfordon använder termoplastiska och härdplastkompositer med en skelettkonstruktion som ger 25 % mer H2-lagring. #väte #trender
Efter att ett samarbete med BMW visat att en kubisk tank kunde ge högre volymetrisk verkningsgrad än flera små cylindrar, inledde Tekniska universitetet i München ett projekt för att utveckla en kompositstruktur och en skalbar tillverkningsprocess för serieproduktion. Bildkälla: TU Dresden (överst till vänster), Tekniska universitetet i München, Institutionen för kolkompositer (LCC)
Bränslecellsfordon (FCEV) som drivs med utsläppsfri (H2) vätgas ger ytterligare möjligheter att uppnå noll miljömål. En bränslecellspersonbil med en H2-motor kan tankas på 5–7 minuter och har en räckvidd på 500 km, men är för närvarande dyrare på grund av låga produktionsvolymer. Ett sätt att minska kostnaderna är att använda en standardplattform för BEV- och FCEV-modeller. Detta är för närvarande inte möjligt eftersom de cylindriska tankarna av typ 4 som används för att lagra komprimerad H2-gas (CGH2) vid 700 bar i FCEV inte är lämpliga för batterifacken under karossen som noggrant har utformats för elfordon. Tryckkärl i form av kuddar och kuber kan dock få plats i detta plana förpackningsutrymme.
Patent US5577630A för ”Composite Conformal Pressure Vessel”, ansökan inlämnad av Thiokol Corp. år 1995 (vänster) och det rektangulära tryckkärlet patenterat av BMW år 2009 (höger).
Institutionen för kolkompositer (LCC) vid Tekniska universitetet i München (TUM, München, Tyskland) är involverad i två projekt för att utveckla detta koncept. Det första är Polymers4Hydrogen (P4H), lett av Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Österrike). Arbetspaketet för LCC leds av Fellow Elizabeth Glace.
Det andra projektet är Hydrogen Demonstration and Development Environment (HyDDen), där LCC leds av forskaren Christian Jaeger. Båda syftar till att skapa en storskalig demonstration av tillverkningsprocessen för att tillverka en lämplig CGH2-tank med hjälp av kolfiberkompositer.
Det finns begränsad volymetrisk verkningsgrad när cylindrar med liten diameter installeras i platta battericeller (vänster) och kubiska typ 2-tryckkärl tillverkade av stålfoder och ett yttre skal av kolfiber/epoxi-komposit (höger). Bildkälla: Figur 3 och 6 är från "Numerical Design Approach for Type II Pressure Box Vessel with Internal Tension Legs" av Ruf och Zaremba et al.
P4H har tillverkat en experimentell kubtank som använder en termoplastram med kompositspännremmar/stag insvepta i kolfiberförstärkt epoxi. HyDDen kommer att använda en liknande design, men kommer att använda automatisk fiberuppläggning (AFP) för att tillverka alla termoplastiska komposittankar.
Från en patentansökan från Thiokol Corp. för "Composite Conformal Pressure Vessel" år 1995 till tyska patentet DE19749950C2 år 1997, kan tryckgaskärl "ha vilken geometrisk konfiguration som helst", men särskilt platta och oregelbundna former, i en kavitet ansluten till skalstödet. Element används så att de kan motstå gasens expansionskraft.
En artikel från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) från 2006 beskriver tre metoder: ett filamentlindat konformt tryckkärl, ett mikrogittertryckkärl innehållande en intern ortorombisk gitterstruktur (små celler på 2 cm eller mindre), omgiven av en tunnväggig H2-behållare, och en replikatorbehållare, bestående av en intern struktur bestående av limmade små delar (t.ex. hexagonala plastringar) och en sammansättning av tunt yttre skal. Duplicerade behållare passar bäst för större behållare där traditionella metoder kan vara svåra att tillämpa.
Patentet DE102009057170A, inlämnat av Volkswagen år 2009, beskriver ett fordonsmonterat tryckkärl som ger hög vikteffektivitet samtidigt som det förbättrar utrymmesutnyttjandet. Rektangulära tankar använder spänningskopplingar mellan två rektangulära motsatta väggar, och hörnen är rundade.
Ovanstående och andra koncept citeras av Gleiss i artikeln "Process Development for Cubic Pressure Vessels with Stretch Bars" av Gleiss et al. på ECCM20 (26-30 juni 2022, Lausanne, Schweiz). I den här artikeln citerar hon en TUM-studie publicerad av Michael Roof och Sven Zaremba, som fann att ett kubiskt tryckkärl med dragstöttor som förbinder rektangulära sidor är mer effektivt än flera små cylindrar som får plats i utrymmet i ett tomt batteri, vilket ger cirka 25 % mer lagringsutrymme.
Enligt Gleiss är problemet med att installera ett stort antal små typ 4-cylindrar i ett platt hölje att ”volymen mellan cylindrarna minskas kraftigt och systemet har också en mycket stor H2-gaspermeationsyta. Sammantaget ger systemet mindre lagringskapacitet än kubiska burkar.”
Det finns dock andra problem med tankens kubiska design. ”På grund av den komprimerade gasen måste man uppenbarligen motverka böjkrafterna på de plana väggarna”, sa Gleiss. ”För detta behöver man en förstärkt struktur som ansluter internt till tankens väggar. Men det är svårt att göra med kompositer.”
Glace och hennes team försökte integrera armeringsstänger i tryckkärlet på ett sätt som skulle vara lämpligt för filamentlindningsprocessen. ”Detta är viktigt för högvolymproduktion”, förklarar hon, ”och låter oss också utforma lindningsmönstret för behållarväggarna för att optimera fiberorienteringen för varje last i zonen.”
Fyra steg för att tillverka en testtank av kubisk komposit för P4H-projektet. Bildkälla: ”Utveckling av en produktionsprocess för kubiska tryckkärl med stöd”, Tekniska universitetet i München, Polymers4Hydrogen-projektet, ECCM20, juni 2022.
För att uppnå on-chain har teamet utvecklat ett nytt koncept som består av fyra huvudsteg, som visas ovan. Spännstag, som visas i svart på stegen, är en prefabricerad ramkonstruktion tillverkad med metoder hämtade från MAI Skelett-projektet. För detta projekt utvecklade BMW ett vindruterams-"ramverk" med fyra fiberförstärkta pultruderingsstänger, som sedan gjuts till en plastram.
Ramen till en experimentell kubisk tank. Sexkantiga skelettsektioner 3D-utskrivna av TUM med oförstärkt PLA-filament (överst), där CF/PA6-pultruderingsstavar sätts in som spänningsstag (mitten) och filamentet sedan lindas runt staget (nederst). Bildkälla: Tekniska universitetet i München LCC.
”Tanken är att man kan bygga ramen till en kubisk tank som en modulär struktur”, sa Glace. ”Dessa moduler placeras sedan i ett gjutverktyg, dragstag placeras i rammodulerna och sedan används MAI Skeletts metod runt stagarna för att integrera dem med ramdelarna.” massproduktionsmetod, vilket resulterar i en struktur som sedan används som en dorn eller kärna för att linda in lagringstankens komposithölje.
TUM designade tankramen som en kubisk "kudde" med solida sidor, rundade hörn och ett hexagonalt mönster på toppen och botten genom vilket band kan sättas in och fästas. Hålen för dessa ställningar 3D-printades också. "För vår första experimenttank 3D-printade vi hexagonala ramsektioner med polymjölksyra [PLA, en biobaserad termoplast] eftersom det var enkelt och billigt", sa Glace.
Teamet köpte 68 stycken pultruderade kolfiberförstärkta polyamid 6 (PA6) stavar från SGL Carbon (Meitingen, Tyskland) för användning som bindmedel. ”För att testa konceptet gjorde vi ingen gjutning”, säger Gleiss, ”utan satte helt enkelt in distanser i en 3D-printad bikakeformad kärnram och limmade dem med epoxilim. Detta ger sedan en dorn för att linda tanken.” Hon noterar att även om dessa stavar är relativt enkla att linda, finns det några betydande problem som kommer att beskrivas senare.
”I det första steget var vårt mål att demonstrera designens tillverkningsbarhet och identifiera problem i produktionskonceptet”, förklarade Gleiss. ”Så sticker dragstöttorna ut från skelettstrukturens yttre yta, och vi fäster kolfibrerna vid denna kärna med hjälp av våt filamentlindning. Därefter, i det tredje steget, böjer vi huvudet på varje dragstång. termoplast, så vi använder bara värme för att omforma huvudet så att det plattas ut och låses fast i det första lagret av lindning. Vi fortsätter sedan med att linda in strukturen igen så att det platta tryckhuvudet geometriskt innesluts i tanken. laminatet på väggarna.”
Distanslock för lindning. TUM använder plastlock på ändarna av spänningsstavarna för att förhindra att fibrerna trasslar ihop sig under filamentlindningen. Bildkälla: Tekniska universitetet i München LCC.
Glace upprepade att denna första tank var ett bevis på konceptet. ”Användningen av 3D-utskrift och lim var bara för initial testning och gav oss en uppfattning om några av de problem vi stötte på. Till exempel, under lindningen fastnade filamenten i ändarna på spänningsstängerna, vilket orsakade fiberbrott, fiberskador och minskade mängden fiber för att motverka detta. Vi använde några plastlock som tillverkningshjälpmedel som placerades på stolparna före det första lindningssteget. Sedan, när de inre laminaten var tillverkade, tog vi bort dessa skyddslock och formade om stolparnas ändar innan den slutliga lindningen.”
Teamet experimenterade med olika rekonstruktionsscenarier. ”De som ser sig omkring fungerar bäst”, säger Grace. ”Under prototypfasen använde vi också ett modifierat svetsverktyg för att applicera värme och omforma dragstångsändarna. I ett massproduktionskoncept skulle man ha ett större verktyg som kan forma alla ändar av strävorna till ett invändigt laminat samtidigt.”
Dragstångshuvuden omformade. TUM experimenterade med olika koncept och modifierade svetsarna för att justera ändarna på kompositstag för infästning till tankväggslaminatet. Bildkälla: ”Utveckling av en produktionsprocess för kubiska tryckkärl med stag”, Tekniska universitetet i München, Polymers4Hydrogen-projektet, ECCM20, juni 2022.
Således härdas laminatet efter det första lindningssteget, stolparna omformas, TUM-enheten slutför den andra lindningen av filamenten och sedan härdas det yttre tankväggslaminatet en andra gång. Observera att detta är en tankkonstruktion av typ 5, vilket innebär att den inte har en plastbeklädnad som gasbarriär. Se diskussionen i avsnittet Nästa steg nedan.
”Vi skar den första demonstrationen i tvärsnitt och kartlade det sammanhängande området”, sa Glace. ”En närbild visar att vi hade vissa kvalitetsproblem med laminatet, då fjäderbenshuvudena inte låg platt mot det inre laminatet.”
Löser problem med springor mellan laminatet på tankens inner- och ytterväggar. Det modifierade dragstångshuvudet skapar ett mellanrum mellan det första och andra varvet på experimenttanken. Bildkälla: Tekniska universitetet i München LCC.
Denna första tank på 450 x 290 x 80 mm färdigställdes förra sommaren. ”Vi har gjort stora framsteg sedan dess, men vi har fortfarande en glipa mellan det inre och utre laminatet”, sa Glace. ”Så vi försökte fylla dessa luckor med ett rent, högvisköst harts. Detta förbättrar faktiskt förbindelsen mellan reglarna och laminatet, vilket kraftigt ökar den mekaniska belastningen.”
Teamet fortsatte att utveckla tankens design och process, inklusive lösningar för det önskade lindningsmönstret. ”Testtankens sidor var inte helt böjda eftersom det var svårt för denna geometri att skapa en lindningsbana”, förklarade Glace. ”Vår initiala lindningsvinkel var 75°, men vi visste att flera kretsar behövdes för att klara belastningen i detta tryckkärl. Vi letar fortfarande efter en lösning på detta problem, men det är inte lätt med den programvara som för närvarande finns på marknaden. Det kan bli ett uppföljningsprojekt.”
”Vi har visat att detta produktionskoncept är genomförbart”, säger Gleiss, ”men vi behöver arbeta vidare för att förbättra kopplingen mellan laminatet och omforma dragstängerna. Extern provning på en provmaskin. Man drar ut distanserna ur laminatet och testar de mekaniska belastningar som dessa skarvar tål.”
Denna del av Polymers4Hydrogen-projektet kommer att vara slutförd i slutet av 2023, och då hoppas Gleis kunna färdigställa den andra demonstrationstanken. Intressant nog använder dagens konstruktioner rena förstärkta termoplaster i ramen och härdplaster i tankväggarna. Kommer denna hybridmetod att användas i den slutliga demonstrationstanken? ”Ja”, sa Grace. ”Våra partners i Polymers4Hydrogen-projektet utvecklar epoxihartser och andra kompositmatrismaterial med bättre vätebarriäregenskaper.” Hon listar två partners som arbetar med detta arbete, PCCL och Tammerfors universitet (Tammerfors, Finland).
Gleiss och hennes team utbytte också information och diskuterade idéer med Jaeger om det andra HyDDen-projektet från LCC:s konforma komposittank.
”Vi kommer att producera ett konformt komposittryckkärl för forskningsdrönare”, säger Jaeger. ”Detta är ett samarbete mellan de två avdelningarna vid TUM:s flyg- och rymdgeodetiska avdelning – LCC och avdelningen för helikopterteknik (HT). Projektet kommer att vara slutfört i slutet av 2024 och vi håller för närvarande på att färdigställa tryckkärlet. En design som är mer av en flyg- och fordonsbaserad metod. Efter detta inledande konceptstadium är nästa steg att utföra detaljerad strukturmodellering och förutsäga väggkonstruktionens barriärprestanda.”
”Hela idén är att utveckla en utforskande drönare med ett hybridbränslecellssystem och batteridrivet framdrivningssystem”, fortsatte han. Den kommer att använda batteriet under hög effektbelastning (dvs. start och landning) och sedan växla till bränslecellen under lätt last. ”HT-teamet hade redan en forskningsdrönare och omdesignade drivlinan för att använda både batterier och bränsleceller”, sa Yeager. ”De köpte också en CGH2-tank för att testa denna transmission.”
”Mitt team fick i uppdrag att bygga en prototyp för en trycktank som skulle passa, men inte på grund av de förpackningsproblem som en cylindrisk tank skulle skapa”, förklarar han. ”En plattare tank erbjuder inte lika mycket vindmotstånd. Så man får bättre flygprestanda.” Tankmått ca 830 x 350 x 173 mm.
Helt termoplastisk AFP-kompatibel tank. För HyDDen-projektet utforskade LCC-teamet vid TUM inledningsvis en liknande metod som den som används av Glace (ovan), men övergick sedan till en metod med en kombination av flera strukturella moduler, som sedan överanvändes med AFP (nedan). Bildkälla: Tekniska universitetet i München LCC.
”En idé liknar Elisabeth [Gleiss] tillvägagångssätt”, säger Yager, ”att applicera spänningsstag på kärlväggen för att kompensera för de höga böjkrafterna. Men istället för att använda en lindningsprocess för att tillverka tanken använder vi AFP. Därför funderade vi på att skapa en separat sektion av tryckkärlet, där stativstängerna redan är integrerade. Denna metod gjorde det möjligt för mig att kombinera flera av dessa integrerade moduler och sedan applicera en ändkåpa för att täta allt innan den slutliga AFP-lindningen.”
”Vi försöker slutföra ett sådant koncept”, fortsatte han, ”och även börja testa materialvalet, vilket är mycket viktigt för att säkerställa nödvändig motståndskraft mot H2-gaspenetration. För detta använder vi huvudsakligen termoplastiska material och arbetar med olika hur materialet kommer att påverka detta permeationsbeteende och bearbetning i AFP-maskinen. Det är viktigt att förstå om behandlingen kommer att ha någon effekt och om någon efterbehandling krävs. Vi vill också veta om olika staplar kommer att påverka vätepermeationen genom tryckkärlet.”
Tanken kommer att vara helt tillverkad av termoplast och remsorna kommer att levereras av Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Tyskland). ”Vi kommer att använda deras material PPS [polyfenylensulfid], PEEK [polyeterketon] och LM PAEK [lågsmältande polyarylketon]”, sa Yager. ”Jämförelser görs sedan för att se vilket som är bäst för penetrationsskydd och för att producera delar med bättre prestanda.” Han hoppas kunna slutföra testning, strukturell och processmodellering samt de första demonstrationerna inom nästa år.
Forskningsarbetet utfördes inom COMET-modulen "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) inom COMET-programmet vid det federala ministeriet för klimatförändringar, miljö, energi, mobilitet, innovation och teknologi samt det federala ministeriet för digital teknologi och ekonomi. Författarna tackar de deltagande partnerna Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Österrike), Montanuniversitaet Leoben (fakulteten för polymerteknik och -naturvetenskap, institutionen för kemi för polymermaterial, institutionen för materialvetenskap och polymerprovning), Tammerfors universitet (fakulteten för materialteknik), Peak Technology och Faurecia som bidragit till detta forskningsarbete. COMET-Modul finansieras av Österrikes regering och delstaten Steiermarks regering.
Förarmerade plåtar för bärande konstruktioner innehåller kontinuerliga fibrer – inte bara från glas, utan även från kol och aramid.
Det finns många sätt att tillverka kompositdelar. Därför beror valet av metod för en viss del på materialet, delens design och slutanvändningen eller tillämpningen. Här är en urvalsguide.
Shocker Composites och R&M International utvecklar en leveranskedja för återvunnen kolfiber som ger noll slakt, lägre kostnad än jungfrufiber och så småningom kommer att erbjuda längder som närmar sig kontinuerlig fiber i strukturella egenskaper.
Publiceringstid: 15 mars 2023