Mizinga ya kawaida ya jukwaa tambarare ya BEV na FCEV hutumia viunzi vya thermoplastic na thermoset vyenye muundo wa mifupa ambao hutoa hifadhi ya H2 kwa 25%.#hidrojeni #mwelekeo
Baada ya ushirikiano na BMW ilionyesha kuwa tanki ya ujazo inaweza kutoa ufanisi wa juu wa ujazo kuliko silinda nyingi ndogo, Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich kilianza mradi wa kuunda muundo wa mchanganyiko na mchakato wa utengenezaji wa scalable kwa uzalishaji wa serial.Picha kwa hisani ya TU Dresden (juu) kushoto), Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich, Idara ya Mchanganyiko wa Carbon (LCC)
Magari ya umeme ya seli za mafuta (FCEVs) zinazoendeshwa na haidrojeni isiyotoa hewa sifuri (H2) hutoa njia za ziada kufikia malengo sifuri ya mazingira.Gari la abiria la mafuta yenye injini ya H2 inaweza kujazwa kwa dakika 5-7 na ina umbali wa kilomita 500, lakini kwa sasa ni ghali zaidi kutokana na kiasi cha chini cha uzalishaji.Njia moja ya kupunguza gharama ni kutumia mfumo wa kawaida wa miundo ya BEV na FCEV.Hili kwa sasa haliwezekani kwa sababu mizinga ya silinda ya Aina ya 4 inayotumika kuhifadhi gesi iliyobanwa ya H2 (CGH2) kwenye paa 700 katika FCEVs haifai kwa sehemu za betri zilizo chini ya mwili ambazo zimeundwa kwa uangalifu kwa ajili ya magari ya umeme.Hata hivyo, vyombo vya shinikizo kwa namna ya mito na cubes vinaweza kuingia kwenye nafasi hii ya ufungaji wa gorofa.
Hati miliki ya US5577630A ya "Chombo cha Shinikizo Kilichojumuishwa Kilichojumuishwa", ombi lililowasilishwa na Thiokol Corp. mnamo 1995 (kushoto) na meli ya shinikizo la mstatili iliyoidhinishwa na BMW mnamo 2009 (kulia).
Idara ya Mchanganyiko wa Carbon (LCC) ya Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich (TUM, Munich, Ujerumani) inahusika katika miradi miwili ya kuendeleza dhana hii.Ya kwanza ni Polymers4Hydrogen (P4H), inayoongozwa na Leoben Polymer Competence Center (PCCL, Leoben, Austria).Kifurushi cha kazi cha LCC kinaongozwa na Wenzake Elizabeth Glace.
Mradi wa pili ni Maonyesho ya Hydrojeni na Mazingira ya Maendeleo (HyDDen), ambapo LCC inaongozwa na Mtafiti Christian Jaeger.Zote mbili zinalenga kuunda onyesho kubwa la mchakato wa utengenezaji wa kutengeneza tanki inayofaa ya CGH2 kwa kutumia composites za nyuzi za kaboni.
Kuna ufanisi mdogo wa ujazo wakati mitungi ya kipenyo kidogo inapowekwa kwenye seli tambarare za betri (kushoto) na mishipa ya shinikizo ya aina ya 2 ya ujazo iliyotengenezwa kwa chuma na ganda la nje la nyuzi kaboni/epoksi (kulia).Chanzo cha Picha: Kielelezo 3 na 6 ni kutoka kwa "Njia ya Ubunifu wa Namba kwa Chombo cha Sanduku la Shinikizo la Aina ya II chenye Miguu ya Mvutano wa Ndani" na Ruf na Zaremba et al.
P4H imeunda tanki la majaribio la mchemraba ambalo linatumia fremu ya thermoplastic yenye mikanda/vipande vya mvutano vilivyofungwa kwenye epoksi iliyoimarishwa ya nyuzinyuzi za kaboni.HyDDen itatumia muundo sawa, lakini itatumia muundo wa nyuzi otomatiki (AFP) kutengeneza matangi yote ya mchanganyiko wa thermoplastic.
Kutoka kwa maombi ya hataza ya Thiokol Corp. hadi "Chombo cha Shinikizo Kilichojumuishwa Kilichojumuishwa" mnamo 1995 hadi Hati miliki ya Kijerumani DE19749950C2 mnamo 1997, vyombo vya gesi vilivyobanwa "vinaweza kuwa na usanidi wowote wa kijiometri", lakini haswa maumbo bapa na yasiyo ya kawaida, kwenye patiti iliyounganishwa na usaidizi wa ganda. .vipengele hutumiwa ili waweze kuhimili nguvu ya upanuzi wa gesi.
Karatasi ya 2006 ya Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) inaelezea mbinu tatu: chombo cha shinikizo la filamenti ya jeraha, chombo cha shinikizo la microlattice kilicho na muundo wa kimiani wa orthorhombic (seli ndogo za 2 cm au chini), iliyozungukwa na chombo chembamba cha H2, na chombo cha kuiga, kinachojumuisha muundo wa ndani unaojumuisha sehemu ndogo za glued (kwa mfano, pete za plastiki za hexagonal) na muundo wa ngozi nyembamba ya nje ya shell.Vyombo rudufu vinafaa zaidi kwa kontena kubwa ambapo mbinu za kitamaduni zinaweza kuwa ngumu kutumia.
Patent DE102009057170A iliyowasilishwa na Volkswagen mwaka wa 2009 inaelezea chombo cha shinikizo kilichowekwa kwenye gari ambacho kitatoa ufanisi wa juu wa uzito wakati wa kuboresha matumizi ya nafasi.Mizinga ya mstatili hutumia viunganisho vya mvutano kati ya kuta mbili za mstatili kinyume, na pembe ni mviringo.
Dhana zilizo hapo juu na zingine zimetajwa na Gleiss katika karatasi "Uendelezaji wa Mishipa ya Shinikizo ya Ujazo na Mipau ya Kunyoosha" na Gleiss et al.katika ECCM20 (Juni 26-30, 2022, Lausanne, Uswisi).Katika nakala hii, ananukuu uchunguzi wa TUM uliochapishwa na Michael Roof na Sven Zaremba, ambao uligundua kuwa chombo cha shinikizo la ujazo na mikanda ya mvutano inayounganisha pande za mstatili ni bora zaidi kuliko mitungi kadhaa ndogo ambayo hutoshea kwenye nafasi ya betri bapa, ikitoa takriban 25. % zaidi.nafasi ya kuhifadhi.
Kwa mujibu wa Gleiss, tatizo la kufunga idadi kubwa ya mitungi ya aina 4 katika kesi ya gorofa ni kwamba "kiasi kati ya mitungi kinapungua sana na mfumo pia una uso mkubwa sana wa gesi ya H2.Kwa ujumla, mfumo hutoa uwezo mdogo wa kuhifadhi kuliko mitungi ya ujazo.
Hata hivyo, kuna matatizo mengine na muundo wa ujazo wa tank."Ni wazi, kwa sababu ya gesi iliyoshinikizwa, unahitaji kukabiliana na nguvu za kupiga kwenye kuta za gorofa," Gleiss alisema."Kwa hili, unahitaji muundo ulioimarishwa unaounganisha ndani na kuta za tank.Lakini hiyo ni ngumu kufanya na composites.
Glace na timu yake walijaribu kujumuisha upau wa mvutano wa kuimarisha kwenye chombo cha shinikizo kwa njia ambayo ingefaa kwa mchakato wa kukunja nyuzi."Hii ni muhimu kwa uzalishaji wa kiwango cha juu," anafafanua, "na pia huturuhusu kubuni muundo wa vilima wa kuta za kontena ili kuboresha mwelekeo wa nyuzi kwa kila mzigo katika eneo."
Hatua nne za kutengeneza tanki la ujazo la ujazo la ujazo la mradi wa P4H.Mkopo wa picha: "Maendeleo ya mchakato wa uzalishaji wa vyombo vya shinikizo la ujazo vilivyo na brace", Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich, mradi wa Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Ili kufikia mnyororo, timu imeunda dhana mpya inayojumuisha hatua kuu nne, kama inavyoonyeshwa hapo juu.Misuli ya mvutano, iliyoonyeshwa kwa rangi nyeusi kwenye hatua, ni muundo wa fremu uliotengenezwa tayari kwa kutumia mbinu zilizochukuliwa kutoka kwa mradi wa MAI Skelett.Kwa mradi huu, BMW ilitengeneza "mfumo" wa windshield kwa kutumia fimbo nne za pultrusion zilizoimarishwa, ambazo zilifinyangwa kwenye sura ya plastiki.
Muundo wa tanki ya majaribio ya ujazo.Sehemu za mifupa yenye umbo la 3D iliyochapishwa na TUM kwa kutumia filamenti ya PLA isiyoimarishwa (juu), ikiingiza vijiti vya CF/PA6 kama viunga vya mvutano (katikati) na kisha kuifunga nyuzi kwenye viunga (chini).Kwa hisani ya picha: Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich LCC.
"Wazo ni kwamba unaweza kujenga sura ya tanki ya ujazo kama muundo wa kawaida," Glace alisema."Moduli hizi huwekwa kwenye kifaa cha ukingo, miisho ya mvutano huwekwa kwenye moduli za fremu, na kisha njia ya MAI Skelett inatumika kuzunguka struts kuziunganisha na sehemu za fremu."njia ya uzalishaji wa wingi, kusababisha muundo kwamba ni kisha kutumika kama mandrel au msingi wa wrap tank kuhifadhi Composite shell.
TUM ilitengeneza fremu ya tanki kama "mto" wa ujazo na pande thabiti, pembe za mviringo na muundo wa hexagonal juu na chini ambayo vifungo vinaweza kuingizwa na kushikamana.Mashimo ya racks hizi pia yalichapishwa 3D."Kwa tangi yetu ya awali ya majaribio, 3D tulichapisha sehemu za fremu za hexagonal kwa kutumia asidi ya polylactic [PLA, thermoplastic inayotokana na bio] kwa sababu ilikuwa rahisi na nafuu," Glace alisema.
Timu ilinunua fimbo 68 zilizoimarishwa za polyamide 6 (PA6) kutoka SGL Carbon (Meitingen, Ujerumani) ili zitumike kama tie.“Ili kujaribu wazo hilo, hatukufanya ufinyanzi wowote,” asema Gleiss, “bali tuliingiza tu spacers kwenye fremu ya msingi ya sega ya asali iliyochapishwa ya 3D na kuibandika kwa gundi ya epoxy.Hii basi hutoa mandrel kwa kukunja tanki.Anabainisha kuwa ingawa vijiti hivi ni rahisi kupeperuka, kuna shida kadhaa ambazo zitaelezewa baadaye.
"Katika hatua ya kwanza, lengo letu lilikuwa kuonyesha utengenezaji wa muundo na kutambua shida katika dhana ya uzalishaji," alielezea Gleiss."Kwa hivyo miisho ya mvutano hutoka kwenye uso wa nje wa muundo wa mifupa, na tunaunganisha nyuzi za kaboni kwenye msingi huu kwa kutumia vilima vya filamenti mvua.Baada ya hayo, katika hatua ya tatu, tunapiga kichwa cha kila fimbo ya kufunga.thermoplastic, kwa hiyo tunatumia joto tu kurekebisha kichwa ili iwe gorofa na kufuli kwenye safu ya kwanza ya kuifunga.Kisha tunaendelea kuifunga muundo tena ili kichwa cha kutia gorofa kimefungwa kijiometri ndani ya tank.laminate kwenye kuta.
Spacer cap kwa vilima.TUM hutumia vifuniko vya plastiki kwenye ncha za vijiti vya mvutano ili kuzuia nyuzi kugongana wakati wa kukunja nyuzi.Kwa hisani ya picha: Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich LCC.
Glace alikariri kwamba tanki hii ya kwanza ilikuwa uthibitisho wa dhana."Matumizi ya uchapishaji wa 3D na gundi ilikuwa tu ya majaribio ya awali na ilitupa wazo la matatizo machache tuliyokutana nayo.Kwa mfano, wakati wa vilima, filaments zilikamatwa na mwisho wa fimbo za mvutano, na kusababisha kuvunjika kwa nyuzi, uharibifu wa nyuzi, na kupunguza kiasi cha fiber ili kukabiliana na hili.tulitumia vifuniko vichache vya plastiki kama nyenzo za utengenezaji ambazo ziliwekwa kwenye nguzo kabla ya hatua ya kwanza ya kujipinda. Kisha, laminates za ndani zilipotengenezwa, tuliondoa kofia hizi za kinga na kurekebisha ncha za nguzo kabla ya kuifunga mara ya mwisho.
Timu ilijaribu hali mbalimbali za uundaji upya.“Wale wanaotazama huku na huku hufanya kazi bora zaidi,” asema Grace."Pia, wakati wa awamu ya mfano, tulitumia zana ya kulehemu iliyorekebishwa ili kuweka joto na kurekebisha ncha za fimbo ya tie.Katika dhana ya uzalishaji wa wingi, ungekuwa na chombo kimoja kikubwa ambacho kinaweza kutengeneza na kuunda mwisho wote wa struts ndani ya laminate ya kumaliza mambo ya ndani kwa wakati mmoja..”
Vichwa vya upau vimewekwa upya.TUM ilifanya majaribio ya dhana tofauti na kurekebisha welds ili kuoanisha ncha za mahusiano ya mchanganyiko kwa ajili ya kushikamana na laminate ya ukuta wa tank.Mkopo wa picha: "Maendeleo ya mchakato wa uzalishaji wa vyombo vya shinikizo la ujazo vilivyo na brace", Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich, mradi wa Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Kwa hivyo, laminate inaponywa baada ya hatua ya kwanza ya vilima, machapisho yanafanywa upya, TUM inakamilisha upepo wa pili wa filaments, na kisha laminate ya ukuta wa tank ya nje inaponywa mara ya pili.Tafadhali kumbuka kuwa huu ni muundo wa tanki ya 5, ambayo inamaanisha kuwa haina mjengo wa plastiki kama kizuizi cha gesi.Tazama majadiliano katika sehemu ya Hatua Zinazofuata hapa chini.
"Tulikata onyesho la kwanza katika sehemu tofauti na tukapanga eneo lililounganishwa," Glace alisema."Uchambuzi wa karibu unaonyesha kuwa tulikuwa na maswala ya ubora na laminate, na vichwa vya kichwa havikuwekwa gorofa kwenye laminate ya ndani."
Kutatua matatizo na mapungufu kati ya laminate ya kuta za ndani na nje za tank.Kichwa cha fimbo iliyorekebishwa hutengeneza pengo kati ya zamu ya kwanza na ya pili ya tank ya majaribio.Kwa hisani ya picha: Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich LCC.
Tangi hili la awali la 450 x 290 x 80mm lilikamilika msimu wa joto uliopita."Tumepata maendeleo mengi tangu wakati huo, lakini bado tuna pengo kati ya laminate ya ndani na nje," Glace alisema."Kwa hivyo tulijaribu kujaza mapengo hayo na resin safi, yenye mnato wa juu.Hii inaboresha uhusiano kati ya vijiti na laminate, ambayo huongeza sana mkazo wa kiufundi.
Timu iliendelea kukuza muundo na mchakato wa tanki, ikijumuisha suluhisho la muundo unaohitajika wa vilima."Pande za tanki la majaribio hazikujipinda kikamilifu kwa sababu ilikuwa vigumu kwa jiometri hii kuunda njia inayopinda," Glace alielezea."Pembe yetu ya awali ya vilima ilikuwa 75 °, lakini tulijua kwamba saketi nyingi zilihitajika ili kukidhi mzigo kwenye chombo hiki cha shinikizo.Bado tunatafuta suluhu la tatizo hili, lakini si rahisi kwa programu iliyopo sokoni kwa sasa.Inaweza kuwa mradi wa ufuatiliaji.
"Tumeonyesha uwezekano wa dhana hii ya uzalishaji," anasema Gleiss, "lakini tunahitaji kufanya kazi zaidi ili kuboresha uhusiano kati ya laminate na kurekebisha vijiti vya kufunga."Upimaji wa nje kwenye mashine ya kupima.Unachomoa viambatanisho kutoka kwa laminate na kujaribu mizigo ya mitambo ambayo viungo hivyo vinaweza kuhimili."
Sehemu hii ya mradi wa Polymers4Hydrogen itakamilika mwishoni mwa 2023, wakati ambapo Gleis anatarajia kukamilisha tanki ya pili ya maonyesho.Inafurahisha, miundo leo hutumia thermoplastiki iliyoimarishwa nadhifu kwenye fremu na composites za thermoset kwenye kuta za tanki.Je, mbinu hii ya mseto itatumika katika tanki la mwisho la maonyesho?“Ndiyo,” Grace alisema."Washirika wetu katika mradi wa Polymers4Hydrogen wanatengeneza resini za epoxy na nyenzo zingine za matrix zenye sifa bora za kizuizi cha hidrojeni."Anaorodhesha washirika wawili wanaofanya kazi hii, PCCL na Chuo Kikuu cha Tampere (Tampere, Finland).
Gleiss na timu yake pia walibadilishana taarifa na kujadiliana mawazo na Jaeger kuhusu mradi wa pili wa HyDDen kutoka kwa tanki ya muundo rasmi ya LCC.
"Tutakuwa tukitengeneza chombo cha shinikizo cha mchanganyiko kwa ndege zisizo na rubani za utafiti," Jaeger anasema."Huu ni ushirikiano kati ya idara mbili za Idara ya Anga na Geodetic ya TUM - LCC na Idara ya Teknolojia ya Helikopta (HT).Mradi huo utakamilika mwishoni mwa 2024 na kwa sasa tunakamilisha chombo cha shinikizo.muundo ambao ni zaidi wa mbinu ya anga na magari.Baada ya hatua hii ya dhana ya awali, hatua inayofuata ni kutekeleza muundo wa kina wa muundo na kutabiri utendaji wa kizuizi cha muundo wa ukuta.
"Wazo zima ni kuunda drone ya uchunguzi na seli ya mafuta ya mseto na mfumo wa kusukuma betri," aliendelea.Itatumia betri wakati wa upakiaji wa nishati ya juu (yaani kuondoka na kutua) na kisha kubadili hadi seli ya mafuta wakati wa kuzunguka kwa shehena nyepesi."Timu ya HT tayari ilikuwa na ndege isiyo na rubani ya utafiti na kuunda upya treni ya umeme kutumia betri na seli za mafuta," Yeager alisema."Pia walinunua tanki la CGH2 ili kujaribu maambukizi haya."
"Timu yangu ilipewa jukumu la kuunda mfano wa tank ya shinikizo ambayo ingefaa, lakini sio kwa sababu ya maswala ya ufungaji ambayo tanki ya silinda ingeunda," anaelezea."Tangi bapa haitoi upinzani mwingi wa upepo.Kwa hivyo utapata utendaji bora wa ndege."Vipimo vya tank takriban.830 x 350 x 173 mm.
Tangi inayolingana na AFP ya thermoplastic kikamilifu.Kwa mradi wa HyDDen, timu ya LCC katika TUM iligundua awali mbinu sawa na ile iliyotumiwa na Glace (hapo juu), lakini kisha ikahamia kwenye mbinu ya kutumia mchanganyiko wa moduli kadhaa za miundo, ambazo zilitumiwa kupita kiasi kwa kutumia AFP (hapo chini).Kwa hisani ya picha: Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich LCC.
"Wazo moja ni sawa na mbinu ya Elisabeth [Gleiss]," Yager anasema, "kuweka viunga vya mvutano kwenye ukuta wa chombo ili kufidia nguvu za juu za kupinda.Walakini, badala ya kutumia mchakato wa vilima kutengeneza tank, tunatumia AFP.Kwa hiyo, tulifikiri juu ya kuunda sehemu tofauti ya chombo cha shinikizo, ambayo racks tayari imeunganishwa.Mbinu hii iliniruhusu kuchanganya moduli hizi kadhaa zilizojumuishwa na kisha kutumia kifuniko cha mwisho ili kufunga kila kitu kabla ya kumalizika kwa AFP.
"Tunajaribu kukamilisha dhana hiyo," aliendelea, "na pia kuanza kupima uteuzi wa vifaa, ambayo ni muhimu sana ili kuhakikisha upinzani muhimu kwa kupenya kwa gesi ya H2.Kwa hili, sisi hutumia nyenzo za thermoplastic na tunashughulikia anuwai jinsi nyenzo hii itaathiri tabia hii ya upenyezaji na usindikaji kwenye mashine ya AFP.Ni muhimu kuelewa ikiwa matibabu yatakuwa na athari na ikiwa usindikaji wowote wa baada ya usindikaji unahitajika.Tunataka pia kujua ikiwa safu tofauti zitaathiri upenyezaji wa hidrojeni kupitia chombo cha shinikizo.
Tangi hilo litatengenezwa kabisa na thermoplastic na vipande vitatolewa na Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Germany)."Tutatumia PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polyether ketone] na LM PAEK [polyaryl ketone inayoyeyuka chini] nyenzo," Yager alisema."Basi kulinganisha hufanywa ili kuona ni ipi iliyo bora zaidi kwa ulinzi wa kupenya na kutengeneza sehemu zenye utendakazi bora."Anatarajia kukamilisha majaribio, muundo na mchakato wa uundaji na maonyesho ya kwanza ndani ya mwaka ujao.
Kazi ya utafiti ilifanywa ndani ya moduli ya COMET "Polymers4Hydrogen" (ID 21647053) ndani ya mpango wa COMET wa Wizara ya Shirikisho ya Mabadiliko ya Tabianchi, Mazingira, Nishati, Uhamaji, Ubunifu na Teknolojia na Wizara ya Shirikisho ya Teknolojia ya Dijiti na Uchumi..Waandishi wanawashukuru washirika wanaoshiriki Kituo cha Uwezo wa Polymer Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Kitivo cha Uhandisi na Sayansi ya Polymer, Idara ya Kemia ya Nyenzo za Polima, Idara ya Sayansi ya Nyenzo na Upimaji wa Polima), Chuo Kikuu cha Tampere (Kitivo cha Uhandisi Nyenzo).) Sayansi), Peak Technology na Faurecia walichangia kazi hii ya utafiti.COMET-Modul inafadhiliwa na serikali ya Austria na serikali ya jimbo la Styria.
Karatasi zilizoimarishwa kabla ya miundo ya kubeba mzigo zina nyuzi zinazoendelea - sio tu kutoka kwa kioo, bali pia kutoka kwa kaboni na aramid.
Kuna njia nyingi za kutengeneza sehemu zenye mchanganyiko.Kwa hiyo, uchaguzi wa njia kwa sehemu fulani itategemea nyenzo, muundo wa sehemu, na matumizi ya mwisho au matumizi.Hapa kuna mwongozo wa uteuzi.
Shocker Composites na R&M International zinatengeneza mnyororo wa ugavi wa nyuzi za kaboni zilizorejeshwa ambazo hutoa uchinjaji sifuri, gharama ya chini kuliko nyuzi virgin na hatimaye zitatoa urefu unaokaribia ufumwele unaoendelea katika sifa za muundo.
Muda wa posta: Mar-15-2023