Matangi ya kawaida ya jukwaa tambarare kwa BEV na FCEV hutumia mchanganyiko wa thermoplastic na thermoset yenye muundo wa mifupa unaotoa hifadhi ya H2 zaidi ya 25%. #hidrojeni #trends
Baada ya ushirikiano na BMW kuonyesha kwamba tanki la ujazo linaweza kutoa ufanisi mkubwa wa ujazo kuliko silinda nyingi ndogo, Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich kilianza mradi wa kutengeneza muundo mchanganyiko na mchakato wa utengenezaji unaoweza kupanuliwa kwa ajili ya uzalishaji mfululizo. Picha imechorwa na: TU Dresden (juu) kushoto), Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich, Idara ya Viungo vya Kaboni (LCC)
Magari ya umeme ya seli za mafuta (FCEV) yanayoendeshwa na hidrojeni isiyotoa moshi mwingi (H2) hutoa njia za ziada za kufikia malengo ya mazingira sifuri. Gari la abiria la seli za mafuta lenye injini ya H2 linaweza kujazwa kwa dakika 5-7 na lina umbali wa kilomita 500, lakini kwa sasa ni ghali zaidi kutokana na uzalishaji mdogo. Njia moja ya kupunguza gharama ni kutumia jukwaa la kawaida kwa modeli za BEV na FCEV. Hili kwa sasa haliwezekani kwa sababu matangi ya silinda ya Aina ya 4 yanayotumika kuhifadhi gesi iliyoshinikizwa ya H2 (CGH2) kwenye baa 700 katika FCEV hayafai kwa sehemu za betri za chini ya mwili ambazo zimeundwa kwa uangalifu kwa magari ya umeme. Hata hivyo, vyombo vya shinikizo katika umbo la mito na vijiti vinaweza kutoshea katika nafasi hii tambarare ya kufungashia.
Hati miliki ya US5577630A kwa ajili ya "Chombo cha Shinikizo Kilichochanganywa", maombi yaliyowasilishwa na Thiokol Corp. mwaka wa 1995 (kushoto) na chombo cha shinikizo cha mstatili kilichopewa hati miliki na BMW mwaka wa 2009 (kulia).
Idara ya Viambato vya Kaboni (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 Kituo cha Uwezo cha Polymer cha Leoben (PCCL, Leoben, Austria). Kifurushi cha kazi cha LCC kinaongozwa na Fellow Elizabeth Glace.
Mradi wa pili ni Maonyesho na Mazingira ya Maendeleo ya Hidrojeni (HyDDen), ambapo LCC inaongozwa na Mtafiti Christian Jaeger. Zote zinalenga kuunda onyesho kubwa la mchakato wa utengenezaji wa kutengeneza tanki linalofaa la CGH2 kwa kutumia mchanganyiko wa nyuzi za kaboni.
Kuna ufanisi mdogo wa ujazo wakati silinda ndogo za kipenyo zinapowekwa kwenye seli tambarare za betri (kushoto) na vyombo vya shinikizo vya aina ya 2 vya ujazo vilivyotengenezwa kwa vifuniko vya chuma na ganda la nje la nyuzinyuzi za kaboni/epoksi (kulia). Chanzo cha Picha: Michoro 3 na 6 zinatoka kwenye “Mbinu ya Ubunifu wa Nambari kwa Chombo cha Kisanduku cha Shinikizo cha Aina ya II chenye Miguu ya Mvutano wa Ndani” na Ruf na Zaremba et al.
P4H imetengeneza tanki la majaribio la mchemraba linalotumia fremu ya thermoplastic yenye mikanda/vijiti vya mvutano vilivyounganishwa vilivyofungwa kwa epoksi iliyoimarishwa ya nyuzi za kaboni. HyDDen itatumia muundo kama huo, lakini itatumia mpangilio wa nyuzi otomatiki (AFP) kutengeneza matangi yote ya thermoplastic yaliyounganishwa.
Kuanzia maombi ya hataza kutoka kwa Thiokol Corp. hadi "Chombo cha Shinikizo la Composite Conformal" mnamo 1995 hadi Hati miliki ya Ujerumani DE19749950C2 mnamo 1997, vyombo vya gesi vilivyobanwa "vinaweza kuwa na umbo lolote la kijiometri", lakini haswa maumbo tambarare na yasiyo ya kawaida, katika uwazi uliounganishwa na usaidizi wa ganda. Vipengele hutumiwa ili viweze kuhimili nguvu ya upanuzi wa gesi.
Karatasi ya Maabara ya Kitaifa ya Lawrence Livermore (LLNL) ya mwaka wa 2006 inaelezea mbinu tatu: chombo cha shinikizo cha conformal kilicho na nyuzi, chombo cha shinikizo cha microlattice chenye muundo wa ndani wa orthorhombic lattice (seli ndogo za sentimita 2 au chini), kilichozungukwa na chombo chembamba cha H2, na chombo cha kuiga, chenye muundo wa ndani unaojumuisha sehemu ndogo zilizounganishwa (km, pete za plastiki zenye pembe sita) na muundo wa ngozi nyembamba ya ganda la nje. Vyombo vya nakala vinafaa zaidi kwa vyombo vikubwa ambapo njia za kitamaduni zinaweza kuwa ngumu kutumia.
Hati miliki DE102009057170A iliyowasilishwa na Volkswagen mwaka wa 2009 inaelezea chombo cha shinikizo kilichowekwa kwenye gari ambacho kitatoa ufanisi mkubwa wa uzito huku kikiboresha matumizi ya nafasi. Matangi ya mstatili hutumia viunganishi vya mvutano kati ya kuta mbili za mstatili zilizo kinyume, na pembe zimezungushwa.
Dhana zilizo hapo juu na zingine zimenukuliwa na Gleiss katika karatasi ya "Ukuzaji wa Mchakato wa Vyombo vya Shinikizo la Kijaruba vyenye Baa za Kunyoosha" na Gleiss et al. katika ECCM20 (Juni 26-30, 2022, Lausanne, Uswisi). Katika makala haya, ananukuu utafiti wa TUM uliochapishwa na Michael Roof na Sven Zaremba, ambao uligundua kuwa chombo cha shinikizo la kijaruba chenye mihimili ya mvutano inayounganisha pande za mstatili kina ufanisi zaidi kuliko silinda kadhaa ndogo zinazoingia kwenye nafasi ya betri tambarare, na kutoa takriban 25% zaidi ya nafasi ya kuhifadhi.
Kulingana na Gleiss, tatizo la kufunga idadi kubwa ya mitungi midogo aina ya 4 katika kasha tambarare ni kwamba "ujazo kati ya mitungi hupunguzwa sana na mfumo pia una uso mkubwa sana wa upenyezaji 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 tanki. "Ni wazi, kwa sababu ya gesi iliyobanwa, unahitaji kukabiliana na nguvu za kupinda kwenye kuta tambarare," Gleiss alisema. "Kwa hili, unahitaji muundo ulioimarishwa unaounganisha ndani na kuta za tanki. Lakini hilo ni vigumu kufanya na mchanganyiko."
Glace na timu yake walijaribu kuingiza baa za mvutano wa kuimarisha kwenye chombo cha shinikizo kwa njia ambayo ingefaa kwa mchakato wa kuzungusha nyuzi. "Hii ni muhimu kwa uzalishaji wa wingi," anaelezea, "na pia inaturuhusu kubuni muundo wa kuzungusha wa kuta za chombo ili kuboresha mwelekeo wa nyuzi kwa kila mzigo katika eneo hilo."
Hatua nne za kutengeneza tanki la majaribio la mchanganyiko wa ujazo kwa ajili ya mradi wa P4H. Sifa ya picha: "Ukuzaji wa mchakato wa uzalishaji wa vyombo vya shinikizo la ujazo vyenye 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. Vipande vya mvutano, vinavyoonyeshwa kwa rangi nyeusi kwenye ngazi, ni muundo wa fremu uliotengenezwa tayari kwa kutumia mbinu zilizochukuliwa kutoka kwa mradi wa MAI Skelett. Kwa mradi huu, BMW iliunda "fremu" ya fremu ya kioo cha mbele kwa kutumia fimbo nne za pultrusion zilizoimarishwa na nyuzi, ambazo kisha ziliumbwa kuwa fremu ya plastiki.
Fremu ya tanki la ujazo la majaribio. Sehemu za mifupa zenye hexagonal zilizochapishwa 3D na TUM kwa kutumia filamenti ya PLA isiyoimarishwa (juu), ikiingiza fimbo za pultrusion za CF/PA6 kama vishikio vya mvutano (katikati) na kisha kuifunga filamenti kuzunguka vishikio (chini). Picha imechorwa na: Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich LCC.
"Wazo ni kwamba unaweza kujenga fremu ya tanki la ujazo kama muundo wa moduli," Glace alisema. "Moduli hizi kisha huwekwa kwenye kifaa cha ukingo, vipande vya mvutano huwekwa kwenye moduli za fremu, na kisha mbinu ya MAI Skelett hutumika kuzunguka vipande ili kuviunganisha na sehemu za fremu." mbinu ya uzalishaji wa wingi, na kusababisha muundo ambao kisha hutumika kama mandrel au kiini cha kufunika ganda la tanki la kuhifadhia.
TUM ilibuni fremu ya tangi kama "mto" wa mchemraba wenye pande imara, pembe za mviringo na muundo wa hexagonal juu na chini ambao vifungo vinaweza kuingizwa na kuunganishwa. Mashimo ya raki hizi pia yalichapishwa kwa 3D. "Kwa tanki letu la majaribio la awali, tulichapisha sehemu za fremu za hexagonal kwa kutumia asidi ya polilaktiki [PLA, thermoplastic inayotokana na bio] kwa sababu ilikuwa rahisi na ya bei nafuu," Glace alisema.
Timu ilinunua fimbo 68 za kaboni zilizoimarishwa kwa nyuzinyuzi vumbi za poliamidi 6 (PA6) kutoka SGL Carbon (Meitingen, Ujerumani) kwa ajili ya matumizi kama vifungo. "Ili kujaribu dhana hii, hatukufanya ufinyanzi wowote," anasema Gleiss, "bali tuliingiza tu vidhibiti kwenye fremu ya msingi ya asali iliyochapishwa kwa 3D na kuvibandika kwa gundi ya epoxy. Hii kisha hutoa mandrel ya kuzungusha tangi." Anabainisha kuwa ingawa fimbo hizi ni rahisi kuzungusha, kuna matatizo kadhaa muhimu ambayo yataelezewa baadaye.
"Katika hatua ya kwanza, lengo letu lilikuwa kuonyesha uwezo wa kutengeneza muundo na kutambua matatizo katika dhana ya uzalishaji," alielezea Gleiss. "Kwa hivyo mihimili ya mvutano hutoka kwenye uso wa nje wa muundo wa mifupa, na tunaunganisha nyuzi za kaboni kwenye kiini hiki kwa kutumia uzio wa nyuzi unyevu. Baada ya hapo, katika hatua ya tatu, tunapinda kichwa cha kila fimbo ya kufunga. Tunaweka thermoplastic, kwa hivyo tunatumia joto tu kuunda upya kichwa ili kiwe laini na kifungike kwenye safu ya kwanza ya kufungia. Kisha tunaendelea kufunika muundo tena ili kichwa cha kusukuma tambarare kifungwe kijiometri ndani ya tanki. Tunaweka laminate kwenye kuta.
Kifuniko cha nafasi kwa ajili ya kuzungusha. TUM hutumia vifuniko vya plastiki kwenye ncha za fimbo za mvutano ili kuzuia nyuzi zisiungane wakati wa kuzungusha nyuzi. Picha imechorwa na: Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich LCC.
Glace alisisitiza kwamba tanki hili la kwanza lilikuwa uthibitisho wa dhana. "Matumizi ya uchapishaji wa 3D na gundi yalikuwa kwa ajili ya majaribio ya awali tu na yalitupa wazo la matatizo machache tuliyokumbana nayo. Kwa mfano, wakati wa kuzungusha, nyuzi zilinaswa na ncha za fimbo za mvutano, na kusababisha kuvunjika kwa nyuzi, uharibifu wa nyuzi, na kupunguza kiasi cha nyuzi ili kukabiliana na hili. Tulitumia kofia chache za plastiki kama vifaa vya utengenezaji ambavyo viliwekwa kwenye nguzo kabla ya hatua ya kwanza ya kuzungusha. Kisha, laminate za ndani zilipotengenezwa, tuliondoa kofia hizi za kinga na kuunda upya ncha za nguzo kabla ya kufungwa kwa mwisho."
Timu ilijaribu hali mbalimbali za ujenzi upya. "Wale wanaoangalia pande zote hufanya kazi vizuri zaidi," anasema Grace. "Pia, wakati wa awamu ya uundaji wa mifano, tulitumia kifaa cha kulehemu kilichorekebishwa ili kuweka joto na kuunda upya ncha za fimbo ya kufunga. Katika dhana ya uzalishaji wa wingi, ungekuwa na kifaa kimoja kikubwa zaidi ambacho kinaweza kuunda na kuunda ncha zote za vipande vya mbao kuwa laminate ya ndani kwa wakati mmoja."
Vichwa vya upau wa kuchora vilibadilishwa umbo. TUM ilijaribu dhana tofauti na kurekebisha welds ili kuoanisha ncha za vifungo vya mchanganyiko kwa ajili ya kushikamana na laminate ya ukuta wa tanki. Sifa ya picha: "Ukuzaji wa mchakato wa uzalishaji wa vyombo vya shinikizo la ujazo vyenye brace", Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich, mradi wa Polymers4Hydrogen, ECCM20, Juni 2022.
Kwa hivyo, laminate hupozwa baada ya hatua ya kwanza ya kuzungusha, nguzo hubadilishwa umbo, TUM hukamilisha kuzungusha kwa pili kwa nyuzi, na kisha laminate ya ukuta wa tanki la nje hupozwa mara ya pili. Tafadhali kumbuka kuwa huu ni muundo wa tanki aina ya 5, kumaanisha kuwa haina mjengo wa plastiki kama kizuizi cha gesi. Tazama majadiliano katika sehemu ya Hatua Zinazofuata hapa chini.
"Tulikata onyesho la kwanza katika sehemu mbalimbali na kuchora ramani ya eneo lililounganishwa," Glace alisema. "Uchunguzi wa karibu unaonyesha kwamba tulikuwa na matatizo ya ubora na laminate, huku vichwa vya miamba vikikosa kuelea kwenye laminate ya ndani."
Kutatua matatizo ya mapengo kati ya laminate ya kuta za ndani na nje za tanki. Kichwa cha fimbo ya kufunga kilichorekebishwa huunda pengo kati ya zamu ya kwanza na ya pili ya tanki la majaribio. Picha imechorwa na: Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich LCC.
Tangi hili la awali la 450 x 290 x 80mm lilikamilishwa msimu uliopita wa joto. "Tumepiga hatua nyingi tangu wakati huo, lakini bado tuna pengo kati ya laminate ya ndani na nje," Glace alisema. "Kwa hivyo tulijaribu kujaza mapengo hayo kwa resini safi na yenye mnato mwingi. Kwa kweli hii inaboresha muunganisho kati ya vijiti na laminate, ambayo huongeza sana mkazo wa kiufundi."
Timu iliendelea kutengeneza muundo na mchakato wa tanki, ikijumuisha suluhisho za muundo unaohitajika wa kuzungusha. "Pande za tanki la majaribio hazikuwa zimepinda kikamilifu kwa sababu ilikuwa vigumu kwa jiometri hii kuunda njia ya kuzungusha," Glace alielezea. "Pembe yetu ya awali ya kuzungusha ilikuwa 75°, lakini tulijua kwamba saketi nyingi zilihitajika ili kukidhi mzigo katika chombo hiki cha shinikizo. Bado tunatafuta suluhisho la tatizo hili, lakini si rahisi kwa programu iliyo sokoni kwa sasa. Inaweza kuwa mradi wa ufuatiliaji.
"Tumeonyesha uwezekano wa dhana hii ya uzalishaji," anasema Gleiss, "lakini tunahitaji kufanya kazi zaidi ili kuboresha muunganisho kati ya laminate na kuunda upya fimbo za kufunga. "Upimaji wa nje kwenye mashine ya kupima. Unavuta vidhibiti kutoka kwenye laminate na kujaribu mizigo ya kiufundi ambayo viungo hivyo vinaweza kuhimili."
Sehemu hii ya mradi wa Polymers4Hydrogen itakamilika mwishoni mwa 2023, wakati ambapo Gleis anatarajia kukamilisha tanki la pili la maonyesho. Cha kufurahisha ni kwamba, miundo leo hutumia thermoplastiki nadhifu zilizoimarishwa kwenye fremu na mchanganyiko wa thermoseti kwenye kuta za tanki. Je, mbinu hii mseto itatumika katika tanki la mwisho la maonyesho? "Ndiyo," Grace alisema. "Washirika wetu katika mradi wa Polymers4Hydrogen wanatengeneza resini za epoksi na vifaa vingine vya matrix ya mchanganyiko vyenye 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 kujadili mawazo na Jaeger kuhusu mradi wa pili wa HyDDen kutoka tanki la LCC conformal composite.
"Tutatengeneza chombo cha shinikizo cha aina ya conformal kwa ajili ya drones za utafiti," Jaeger anasema. "Huu ni ushirikiano kati ya idara mbili za Idara ya Anga na Jiodetiki ya TUM - LCC na Idara ya Teknolojia ya Helikopta (HT). Mradi huo utakamilika ifikapo mwisho wa 2024 na kwa sasa tunakamilisha chombo cha shinikizo. muundo ambao ni zaidi ya mbinu ya anga na magari. Baada ya hatua hii ya awali ya dhana, hatua inayofuata ni kufanya uundaji wa kina wa kimuundo na kutabiri utendaji wa kizuizi cha muundo wa ukuta."
"Wazo zima ni kutengeneza ndege isiyo na rubani ya uchunguzi yenye seli mseto ya mafuta na mfumo wa kuendesha betri," aliendelea. Itatumia betri wakati wa mizigo mikubwa ya nguvu (yaani kupaa na kutua) na kisha kuhamia kwenye seli ya mafuta wakati wa kusafiri kwa mizigo myepesi. "Timu ya HT tayari ilikuwa na ndege isiyo na rubani ya utafiti na ilibadilisha mfumo wa nguvu ili kutumia betri na seli za mafuta," Yeager alisema. "Pia walinunua tanki la CGH2 ili kujaribu usafirishaji huu."
"Timu yangu ilipewa jukumu la kujenga mfano wa tanki la shinikizo ambalo lingefaa, lakini si kwa sababu ya matatizo ya ufungashaji ambayo tanki la silinda lingeunda," anaelezea. "Tangi tambarare halitoi upinzani mwingi wa upepo. Kwa hivyo unapata utendaji bora wa kuruka." Vipimo vya tanki ni takriban 830 x 350 x 173 mm.
Tangi linalofuata kikamilifu AFP kwa kutumia thermoplastic. Kwa mradi wa HyDDen, timu ya LCC huko TUM hapo awali ilichunguza mbinu sawa na ile iliyotumiwa na Glace (hapo juu), lakini kisha ikahamia kwenye mbinu kwa kutumia mchanganyiko wa moduli kadhaa za kimuundo, ambazo kisha zilitumika kupita kiasi kwa kutumia AFP (hapa chini). Picha imechorwa na: Chuo Kikuu cha Ufundi cha Munich LCC.
"Wazo moja linafanana na mbinu ya Elisabeth [Gleiss]," Yager anasema, "ya kutumia vishikizo vya mvutano kwenye ukuta wa chombo ili kufidia nguvu za juu za kupinda. Hata hivyo, badala ya kutumia mchakato wa kupinda ili kutengeneza tanki, tunatumia AFP. Kwa hivyo, tulifikiria kuunda sehemu tofauti ya chombo cha shinikizo, ambapo raki tayari zimeunganishwa. Mbinu hii iliniruhusu kuchanganya moduli kadhaa zilizounganishwa na kisha kutumia kifuniko cha mwisho ili kufunga kila kitu kabla ya kufunga kwa mwisho kwa AFP."
"Tunajaribu kukamilisha dhana kama hiyo," aliendelea, "na pia kuanza kujaribu uteuzi wa vifaa, ambayo ni muhimu sana ili kuhakikisha upinzani unaohitajika kwa kupenya kwa gesi ya H2. Kwa hili, tunatumia hasa vifaa vya thermoplastic na tunafanya kazi mbalimbali jinsi nyenzo hiyo itakavyoathiri tabia hii ya upenyezaji na usindikaji katika mashine ya AFP. Ni muhimu kuelewa kama matibabu yatakuwa na athari na kama usindikaji wowote wa baada ya unahitajika. Pia tunataka kujua kama mirundiko tofauti itaathiri upenyezaji wa hidrojeni kupitia chombo cha shinikizo."
Tangi litatengenezwa kabisa kwa thermoplastic na vipande hivyo vitatolewa na Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Ujerumani). "Tutatumia vifaa vyao vya PPS [polyphenylene sulfidi], PEEK [polyether ketone] na LM PAEK [polyaryl ketone inayoyeyuka kwa kiwango cha chini]," Yager alisema. "Kisha ulinganisho hufanywa ili kuona ni ipi bora kwa ulinzi wa kupenya na kutoa sehemu zenye utendaji bora." Anatumai kukamilisha majaribio, uundaji wa miundo na michakato na maonyesho ya kwanza ndani ya mwaka ujao.
Kazi ya utafiti ilifanywa ndani ya moduli ya COMET “Polymers4Hydrogen” (Kitambulisho 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 Kidijitali na Uchumi. . Waandishi wanawashukuru washirika wanaoshiriki Kituo cha Ustadi wa Polymer Leoben GmbH (PCCL, Austria), Montanuniversitaet Leoben (Kitivo cha Uhandisi na Sayansi ya Polymer, Idara ya Kemia ya Vifaa vya Polima, Idara ya Sayansi ya Vifaa na Upimaji wa Polymer), Chuo Kikuu cha Tampere (Kitivo cha Vifaa vya Uhandisi). ) Sayansi), Teknolojia ya Peak na Faurecia walichangia katika kazi hii ya utafiti. COMET-Modul inafadhiliwa na serikali ya Austria na serikali ya jimbo la Styria.
Karatasi zilizoimarishwa tayari kwa miundo inayobeba mzigo zina nyuzi zinazoendelea - si tu kutoka kwa kioo, bali pia kutoka kwa kaboni na aramidi.
Kuna njia nyingi za kutengeneza sehemu zenye mchanganyiko. Kwa hivyo, uchaguzi wa mbinu kwa sehemu fulani utategemea nyenzo, muundo wa sehemu hiyo, na matumizi ya mwisho au matumizi. Hapa kuna mwongozo wa uteuzi.
Kampuni za Shocker Composites na R&M International zinatengeneza mnyororo wa usambazaji wa nyuzi za kaboni zilizosindikwa ambao hautoi uchinjaji wowote, gharama ya chini kuliko nyuzi za bikira na hatimaye utatoa urefu unaokaribia nyuzi zinazoendelea katika sifa za kimuundo.
Muda wa chapisho: Machi-15-2023