มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิกพัฒนาถังทรงลูกบาศก์รูปทรงโค้งโดยใช้วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อเพิ่มการกักเก็บไฮโดรเจน | โลกแห่งวัสดุคอมโพสิต

ถังเชื้อเพลิงไฮโดรเจนแบบแผ่นเรียบมาตรฐานสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ (BEV) และรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง (FCEV) ใช้วัสดุคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกและเทอร์โมเซตที่มีโครงสร้างแบบโครงกระดูก ซึ่งช่วยเพิ่มความจุในการกักเก็บไฮโดรเจนได้ถึง 25% #ไฮโดรเจน #เทรนด์
หลังจากความร่วมมือกับ BMW แสดงให้เห็นว่าถังทรงลูกบาศก์สามารถให้ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรสูงกว่าถังทรงกระบอกขนาดเล็กหลายๆ ถัง มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิกจึงเริ่มโครงการพัฒนาโครงสร้างคอมโพสิตและกระบวนการผลิตที่ปรับขนาดได้สำหรับการผลิตจำนวนมาก (เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยเทคนิคเดรสเดน (ด้านบนซ้าย), มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก, ภาควิชาวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน (LCC))
รถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง (FCEV) ที่ขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจน (H2) ที่ปล่อยมลพิษเป็นศูนย์ เป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการบรรลุเป้าหมายด้านสิ่งแวดล้อมที่เป็นศูนย์ รถยนต์นั่งส่วนบุคคลที่ใช้เครื่องยนต์ H2 สามารถเติมเชื้อเพลิงได้ภายใน 5-7 นาที และวิ่งได้ไกล 500 กิโลเมตร แต่ปัจจุบันมีราคาสูงกว่าเนื่องจากปริมาณการผลิตต่ำ วิธีหนึ่งในการลดต้นทุนคือการใช้แพลตฟอร์มมาตรฐานสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ (BEV) และรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิง (FCEV) ปัจจุบันยังไม่สามารถทำได้ เนื่องจากถังทรงกระบอก Type 4 ที่ใช้เก็บก๊าซ H2 อัด (CGH2) ที่ความดัน 700 บาร์ในรถยนต์ไฟฟ้าเซลล์เชื้อเพลิงนั้นไม่เหมาะสมกับช่องเก็บแบตเตอรี่ใต้ท้องรถที่ออกแบบมาอย่างพิถีพิถันสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ถังความดันในรูปทรงหมอนและทรงลูกบาศก์สามารถติดตั้งในพื้นที่บรรจุภัณฑ์แบบแบนนี้ได้
สิทธิบัตร US5577630A สำหรับ “ภาชนะรับแรงดันแบบคอมโพสิตรูปทรงโค้ง” ซึ่งยื่นขอโดยบริษัท Thiokol Corp. ในปี 1995 (ซ้าย) และภาชนะรับแรงดันรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่ได้รับสิทธิบัตรโดย BMW ในปี 2009 (ขวา)
ภาควิชาวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน (LCC) ของมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก (TUM, มิวนิก, เยอรมนี) มีส่วนร่วมในสองโครงการเพื่อพัฒนาแนวคิดนี้ โครงการแรกคือ Polymers4Hydrogen (P4H) ซึ่งนำโดยศูนย์ความเชี่ยวชาญด้านพอลิเมอร์แห่งเลโอเบน (PCCL, เลโอเบน, ออสเตรีย) โดยส่วนงานของ LCC นำโดยนักวิจัย Elizabeth Glace
โครงการที่สองคือ โครงการสาธิตและพัฒนาสภาพแวดล้อมการผลิตไฮโดรเจน (HyDDen) ซึ่ง LCC นำโดยนักวิจัย Christian Jaeger ทั้งสองโครงการมีเป้าหมายเพื่อสร้างการสาธิตขนาดใหญ่ของกระบวนการผลิตถัง CGH2 ที่เหมาะสมโดยใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์
ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรมีจำกัดเมื่อติดตั้งกระบอกสูบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กในเซลล์แบตเตอรี่แบบแบน (ซ้าย) และภาชนะรับแรงดันแบบลูกบาศก์ประเภทที่ 2 ที่ทำจากเหล็กบุภายในและเปลือกนอกทำจากวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์/อีพ็อกซี (ขวา) ที่มาของภาพ: รูปที่ 3 และ 6 มาจาก “วิธีการออกแบบเชิงตัวเลขสำหรับภาชนะรับแรงดันแบบกล่องประเภทที่ 2 ที่มีขาแรงดึงภายใน” โดย Ruf และ Zaremba และคณะ
P4H ได้สร้างถังทรงลูกบาศก์ทดลองที่ใช้โครงสร้างเทอร์โมพลาสติกพร้อมสายรัด/คานรับแรงดึงคอมโพสิตหุ้มด้วยอีพ็อกซีเสริมใยคาร์บอน HyDDen จะใช้การออกแบบที่คล้ายกัน แต่จะใช้กระบวนการวางเส้นใยอัตโนมัติ (AFP) ในการผลิตถังคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกทั้งหมด
จากคำขอจดสิทธิบัตรของบริษัท Thiokol Corp. สำหรับ “ภาชนะรับแรงดันแบบคอมโพสิตที่ปรับรูปทรงได้” ในปี 1995 จนถึงสิทธิบัตรเยอรมันหมายเลข DE19749950C2 ในปี 1997 ภาชนะรับก๊าซอัด “อาจมีรูปทรงเรขาคณิตใดๆ ก็ได้” แต่โดยเฉพาะอย่างยิ่งรูปทรงแบนและไม่สม่ำเสมอ ในช่องว่างที่เชื่อมต่อกับโครงสร้างรองรับเปลือก มีการใช้ชิ้นส่วนต่างๆ เพื่อให้สามารถทนต่อแรงดันจากการขยายตัวของก๊าซได้
บทความจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ลิเวอร์มอร์ (LLNL) ปี 2006 อธิบายถึงสามแนวทาง ได้แก่ ภาชนะรับแรงดันแบบพันเส้นใยที่ปรับให้เข้ากับรูปทรง ภาชนะรับแรงดันแบบไมโครแลตติสที่มีโครงสร้างแลตติสแบบออร์โธรอมบิกภายใน (เซลล์ขนาดเล็ก 2 ซม. หรือน้อยกว่า) ล้อมรอบด้วยภาชนะบรรจุไฮโดรเจนผนังบาง และภาชนะแบบจำลอง ซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างภายในที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ติดกาว (เช่น วงแหวนพลาสติกหกเหลี่ยม) และส่วนประกอบของเปลือกนอกที่บาง ภาชนะแบบจำลองเหมาะที่สุดสำหรับภาชนะขนาดใหญ่ที่วิธีการแบบดั้งเดิมอาจใช้ได้ยาก
สิทธิบัตรหมายเลข DE102009057170A ที่ Volkswagen ยื่นจดในปี 2009 อธิบายถึงถังแรงดันที่ติดตั้งบนยานพาหนะ ซึ่งจะช่วยลดน้ำหนักได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง พร้อมทั้งเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พื้นที่ ถังทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าใช้ตัวเชื่อมต่อแบบรับแรงดึงระหว่างผนังสี่เหลี่ยมผืนผ้าสองด้านตรงข้ามกัน และมุมของถังจะถูกทำให้โค้งมน
แนวคิดข้างต้นและแนวคิดอื่นๆ ถูกอ้างถึงโดย Gleiss ในบทความเรื่อง “การพัฒนาขั้นตอนการผลิตถังความดันทรงลูกบาศก์ที่มีแท่งยืดหยุ่น” โดย Gleiss และคณะ ในงานประชุม ECCM20 (26-30 มิถุนายน 2022 ณ เมืองโลซาน ประเทศสวิตเซอร์แลนด์) ในบทความนี้ เธออ้างถึงงานวิจัยของ TUM ที่ตีพิมพ์โดย Michael Roof และ Sven Zaremba ซึ่งพบว่าถังความดันทรงลูกบาศก์ที่มีแท่งยืดหยุ่นเชื่อมต่อด้านสี่เหลี่ยมผืนผ้ามีประสิทธิภาพมากกว่ากระบอกขนาดเล็กหลายๆ อันที่พอดีกับพื้นที่ของแบตเตอรี่แบบแบน โดยให้พื้นที่จัดเก็บเพิ่มขึ้นประมาณ 25%
ตามที่ Gleiss กล่าว ปัญหาของการติดตั้งกระบอกสูบขนาดเล็กประเภท 4 จำนวนมากในกล่องแบนคือ “ปริมาตรระหว่างกระบอกสูบลดลงอย่างมาก และระบบยังมีพื้นผิวการซึมผ่านของก๊าซ H2 ที่สูงมาก โดยรวมแล้ว ระบบนี้มีความจุในการจัดเก็บน้อยกว่าภาชนะทรงลูกบาศก์”
อย่างไรก็ตาม ยังมีปัญหาอื่นๆ เกี่ยวกับการออกแบบทรงลูกบาศก์ของถัง “เห็นได้ชัดว่า เนื่องจากก๊าซอัด คุณจำเป็นต้องต้านทานแรงดัดงอที่ผนังเรียบ” เกลสกล่าว “สำหรับเรื่องนี้ คุณต้องมีโครงสร้างเสริมแรงที่เชื่อมต่อภายในกับผนังของถัง แต่การทำเช่นนั้นด้วยวัสดุคอมโพสิตเป็นเรื่องยาก”
เกลซและทีมงานของเธอพยายามที่จะรวมเหล็กเสริมแรงดึงเข้าไปในภาชนะรับแรงดันในลักษณะที่เหมาะสมกับกระบวนการพันเส้นใย “สิ่งนี้สำคัญสำหรับการผลิตในปริมาณมาก” เธอกล่าวอธิบาย “และยังช่วยให้เราสามารถออกแบบรูปแบบการพันของผนังภาชนะเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการวางแนวเส้นใยสำหรับแต่ละโหลดในบริเวณนั้นได้อีกด้วย”
สี่ขั้นตอนในการสร้างถังคอมโพสิตทรงลูกบาศก์ทดลองสำหรับโครงการ P4H เครดิตภาพ: “การพัฒนากระบวนการผลิตถังรับแรงดันทรงลูกบาศก์พร้อมโครงยึด” มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก โครงการ Polymers4Hydrogen ECCM20 มิถุนายน 2022
เพื่อให้สามารถผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์บนบล็อกเชนได้ ทีมงานได้พัฒนารูปแบบใหม่ที่ประกอบด้วยสี่ขั้นตอนหลัก ดังแสดงในภาพด้านบน ชิ้นส่วนค้ำยันแรงดึงที่แสดงเป็นสีดำในขั้นตอนต่างๆ นั้น เป็นโครงสร้างเฟรมสำเร็จรูปที่ผลิตขึ้นโดยใช้วิธีการจากโครงการ MAI Skelett สำหรับโครงการนี้ BMW ได้พัฒนากรอบกระจกหน้ารถโดยใช้แท่งไฟเบอร์เสริมแรงสี่แท่งที่ขึ้นรูปด้วยกระบวนการพัลทรูชั่น จากนั้นจึงนำมาขึ้นรูปเป็นเฟรมพลาสติก
โครงสร้างของถังทรงลูกบาศก์สำหรับการทดลอง ส่วนโครงสร้างหกเหลี่ยมพิมพ์สามมิติโดย TUM โดยใช้เส้นใย PLA ที่ไม่เสริมแรง (ด้านบน) สอดแท่ง CF/PA6 เข้าไปเป็นตัวยึดรับแรงดึง (ตรงกลาง) แล้วพันเส้นใยรอบตัวยึด (ด้านล่าง) เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก LCC
“แนวคิดก็คือ คุณสามารถสร้างโครงสร้างของถังทรงลูกบาศก์เป็นโครงสร้างแบบโมดูลาร์ได้” เกลซกล่าว “จากนั้นโมดูลเหล่านี้จะถูกวางลงในแม่พิมพ์ ตัวยึดแรงดึงจะถูกวางไว้ในโมดูลโครงสร้าง และจากนั้นจะใช้วิธีการของ MAI Skelett รอบๆ ตัวยึดแรงดึงเพื่อรวมเข้ากับชิ้นส่วนโครงสร้าง” ซึ่งเป็นวิธีการผลิตจำนวนมาก ส่งผลให้ได้โครงสร้างที่ใช้เป็นแกนหรือตัวขึ้นรูปเพื่อห่อหุ้มเปลือกคอมโพสิตของถังเก็บ
TUM ออกแบบโครงตู้ให้เป็นทรงลูกบาศก์คล้าย "เบาะ" ที่มีด้านข้างทึบ มุมโค้งมน และมีลวดลายหกเหลี่ยมที่ด้านบนและด้านล่าง ซึ่งสามารถสอดและยึดสายรัดได้ รูสำหรับโครงเหล่านี้ก็พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติเช่นกัน “สำหรับตู้ทดลองรุ่นแรกของเรา เราพิมพ์ส่วนโครงหกเหลี่ยมด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติโดยใช้กรดโพลีแลคติก [PLA ซึ่งเป็นเทอร์โมพลาสติกชีวภาพ] เพราะมันง่ายและราคาถูก” เกลซกล่าว
ทีมงานได้ซื้อแท่งโพลีอะไมด์ 6 (PA6) เสริมใยคาร์บอนแบบพัลทรูชั่นจำนวน 68 แท่งจาก SGL Carbon (ไมทิงเงน ประเทศเยอรมนี) เพื่อใช้เป็นตัวยึด “เพื่อทดสอบแนวคิด เราไม่ได้ทำการขึ้นรูปใดๆ” เกลสกล่าว “แต่เพียงแค่ใส่ตัวเว้นระยะเข้าไปในโครงแกนรังผึ้งที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ แล้วติดด้วยกาวอีพ็อกซี่ จากนั้นจึงใช้เป็นแกนสำหรับพันรอบถัง” เธอกล่าวเสริมว่า แม้ว่าแท่งเหล่านี้จะพันได้ค่อนข้างง่าย แต่ก็มีปัญหาสำคัญบางประการที่จะกล่าวถึงในภายหลัง
“ในขั้นแรก เป้าหมายของเราคือการแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการผลิตของแบบ และระบุปัญหาในแนวคิดการผลิต” เกลสส์อธิบาย “ดังนั้น คานรับแรงดึงจึงยื่นออกมาจากพื้นผิวด้านนอกของโครงสร้างโครงกระดูก และเรายึดเส้นใยคาร์บอนเข้ากับแกนกลางนี้โดยใช้การพันเส้นใยแบบเปียก หลังจากนั้น ในขั้นตอนที่สาม เราดัดหัวของคานแต่ละอัน เนื่องจากเป็นเทอร์โมพลาสติก เราจึงใช้ความร้อนในการปรับรูปทรงหัวเพื่อให้แบนราบและล็อคเข้ากับชั้นแรกของการพัน จากนั้นเราจึงดำเนินการพันโครงสร้างอีกครั้งเพื่อให้หัวรับแรงผลักแบบแบนราบถูกปิดล้อมทางเรขาคณิตภายในถัง โดยใช้ลามิเนตบนผนัง”
ฝาครอบกันพันเส้นใย มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก (TUM) ใช้ฝาครอบพลาสติกที่ปลายแท่งดึงเพื่อป้องกันไม่ให้เส้นใยพันกันระหว่างการพันเส้นใย ภาพประกอบ: มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก (LCC)
เกลซย้ำว่าแท็งก์ตัวแรกนี้เป็นเพียงต้นแบบ “การใช้การพิมพ์ 3 มิติและกาวนั้นใช้สำหรับการทดสอบเบื้องต้นเท่านั้น และทำให้เราได้ทราบถึงปัญหาบางอย่างที่เราพบเจอ ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการพันเส้นใย เส้นใยถูกปลายของแท่งดึงเกี่ยว ทำให้เส้นใยขาด เสียหาย และลดปริมาณเส้นใยลง เพื่อแก้ไขปัญหานี้ เราจึงใช้ฝาพลาสติกบางส่วนเป็นอุปกรณ์ช่วยในการผลิต โดยวางไว้บนเสาก่อนขั้นตอนการพันครั้งแรก จากนั้น เมื่อทำลามิเนตภายในเสร็จแล้ว เราก็ถอดฝาป้องกันเหล่านี้ออกและปรับรูปทรงปลายเสาก่อนการพันขั้นสุดท้าย”
ทีมงานได้ทดลองกับสถานการณ์การสร้างใหม่หลายแบบ “คนที่สังเกตสิ่งรอบข้างจะทำงานได้ดีที่สุด” เกรซกล่าว “นอกจากนี้ ในช่วงการสร้างต้นแบบ เราได้ใช้เครื่องมือเชื่อมที่ดัดแปลงแล้วเพื่อใช้ความร้อนและปรับรูปทรงปลายเหล็กยึด ในแนวคิดการผลิตจำนวนมาก คุณจะมีเครื่องมือขนาดใหญ่เพียงชิ้นเดียวที่สามารถขึ้นรูปและดัดปลายเหล็กยึดทั้งหมดให้เป็นลามิเนตตกแต่งภายในได้พร้อมกัน...”
หัวคานลากได้รับการปรับรูปทรงใหม่ มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก (TUM) ได้ทดลองแนวคิดต่างๆ และปรับเปลี่ยนรอยเชื่อมเพื่อจัดแนวปลายของเหล็กยึดคอมโพสิตสำหรับการยึดติดกับแผ่นลามิเนตผนังถัง เครดิตภาพ: “การพัฒนากระบวนการผลิตสำหรับถังความดันทรงลูกบาศก์ที่มีเหล็กค้ำยัน” มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก โครงการ Polymers4Hydrogen ECCM20 มิถุนายน 2022
ดังนั้น ลามิเนตจะถูกอบให้แข็งตัวหลังจากขั้นตอนการพันครั้งแรก เสาจะถูกปรับรูปทรงใหม่ เครื่อง TUM จะทำการพันเส้นใยครั้งที่สองให้เสร็จสมบูรณ์ จากนั้นลามิเนตผนังด้านนอกของถังจะถูกอบให้แข็งตัวเป็นครั้งที่สอง โปรดทราบว่านี่คือการออกแบบถังประเภทที่ 5 ซึ่งหมายความว่าไม่มีแผ่นพลาสติกบุภายในเป็นตัวกั้นก๊าซ ดูรายละเอียดเพิ่มเติมในส่วน "ขั้นตอนต่อไป" ด้านล่าง
“เราตัดตัวอย่างแรกออกเป็นหน้าตัดและทำแผนที่บริเวณที่เชื่อมต่อกัน” เกลซกล่าว “ภาพระยะใกล้แสดงให้เห็นว่าเรามีปัญหาด้านคุณภาพของวัสดุเคลือบ โดยที่หัวของคานไม่ได้วางราบไปกับวัสดุเคลือบด้านใน”
การแก้ปัญหาช่องว่างระหว่างแผ่นลามิเนตของผนังด้านในและด้านนอกของถัง หัวเหล็กยึดที่ดัดแปลงแล้วทำให้เกิดช่องว่างระหว่างรอบแรกและรอบที่สองของถังทดลอง เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก LCC
ถังขนาด 450 x 290 x 80 มม. นี้สร้างเสร็จเมื่อฤดูร้อนที่ผ่านมา “เราได้พัฒนาไปมากตั้งแต่นั้นมา แต่เรายังมีช่องว่างระหว่างแผ่นลามิเนตด้านในและด้านนอกอยู่” เกลซกล่าว “ดังนั้นเราจึงพยายามเติมช่องว่างเหล่านั้นด้วยเรซินที่มีความหนืดสูงและสะอาด ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการเชื่อมต่อระหว่างโครงเหล็กและแผ่นลามิเนต ทำให้ความแข็งแรงทางกลเพิ่มขึ้นอย่างมาก”
ทีมงานยังคงพัฒนาการออกแบบและกระบวนการผลิตถังต่อไป รวมถึงวิธีการแก้ปัญหาสำหรับรูปแบบการพันขดลวดที่ต้องการ “ด้านข้างของถังทดสอบไม่ได้โค้งงออย่างสมบูรณ์ เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตนี้ทำให้เกิดเส้นทางการพันขดลวดได้ยาก” เกลซอธิบาย “มุมการพันขดลวดเริ่มต้นของเราคือ 75° แต่เรารู้ว่าจำเป็นต้องมีวงจรหลายวงเพื่อรองรับภาระในถังแรงดันนี้ เรายังคงมองหาวิธีแก้ปัญหานี้อยู่ แต่ไม่ใช่เรื่องง่ายด้วยซอฟต์แวร์ที่มีอยู่ในตลาดปัจจุบัน อาจกลายเป็นโครงการต่อเนื่องในอนาคต”
“เราได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของแนวคิดการผลิตนี้แล้ว” เกลสกล่าว “แต่เราจำเป็นต้องทำงานเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงการเชื่อมต่อระหว่างแผ่นลามิเนตและปรับรูปทรงของเหล็กยึดให้ดียิ่งขึ้น” “การทดสอบภายนอกบนเครื่องทดสอบ คุณดึงตัวคั่นออกจากแผ่นลามิเนตและทดสอบแรงทางกลที่ข้อต่อเหล่านั้นสามารถรับได้”
ส่วนนี้ของโครงการ Polymers4Hydrogen จะแล้วเสร็จภายในสิ้นปี 2023 ซึ่งในเวลานั้น Gleis หวังว่าจะสร้างถังสาธิตที่สองให้เสร็จสมบูรณ์ ที่น่าสนใจคือ ปัจจุบันการออกแบบใช้เทอร์โมพลาสติกเสริมแรงบริสุทธิ์ในโครงสร้าง และวัสดุคอมโพสิตเทอร์โมเซตในผนังถัง วิธีการแบบผสมผสานนี้จะถูกนำมาใช้ในถังสาธิตขั้นสุดท้ายหรือไม่? “ใช่” เกรซกล่าว “พันธมิตรของเราในโครงการ Polymers4Hydrogen กำลังพัฒนาเรซินอีพ็อกซีและวัสดุเมทริกซ์คอมโพสิตอื่นๆ ที่มีคุณสมบัติในการกั้นไฮโดรเจนได้ดีกว่า” เธอกล่าวถึงพันธมิตรสองรายที่ทำงานในด้านนี้ ได้แก่ PCCL และมหาวิทยาลัยแทมเปเร (แทมเปเร ประเทศฟินแลนด์)
นอกจากนี้ Gleiss และทีมงานของเธอยังได้แลกเปลี่ยนข้อมูลและหารือเกี่ยวกับแนวคิดกับ Jaeger ในโครงการ HyDDen รุ่นที่สอง ซึ่งเป็นถังคอมโพสิตแบบปรับรูปทรงได้ของ LCC อีกด้วย
“เราจะผลิตถังแรงดันคอมโพสิตแบบโค้งมนสำหรับโดรนวิจัย” เจเกอร์กล่าว “นี่เป็นความร่วมมือระหว่างสองภาควิชาของคณะวิศวกรรมการบินและอวกาศและธรณีวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเม็กซิโก (TUM) ได้แก่ คณะวิศวกรรมโยธา (LCC) และคณะเทคโนโลยีเฮลิคอปเตอร์ (HT) โครงการนี้จะแล้วเสร็จภายในสิ้นปี 2024 และขณะนี้เรากำลังดำเนินการออกแบบถังแรงดัน ซึ่งเป็นการออกแบบที่เน้นแนวทางด้านการบินและอวกาศและยานยนต์ หลังจากขั้นตอนแนวคิดเบื้องต้นนี้ ขั้นตอนต่อไปคือการสร้างแบบจำลองโครงสร้างโดยละเอียดและคาดการณ์ประสิทธิภาพการกั้นของโครงสร้างผนัง”
“แนวคิดหลักคือการพัฒนาโดรนสำรวจที่มีระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริดที่ใช้ทั้งเซลล์เชื้อเพลิงและแบตเตอรี่” เขากล่าวต่อ โดรนจะใช้แบตเตอรี่ในช่วงที่ต้องการกำลังสูง (เช่น การขึ้นบินและลงจอด) และจะเปลี่ยนไปใช้เซลล์เชื้อเพลิงในช่วงที่บินด้วยกำลังเบา “ทีม HT มีโดรนวิจัยอยู่แล้ว และได้ออกแบบระบบขับเคลื่อนใหม่ให้ใช้ได้ทั้งแบตเตอรี่และเซลล์เชื้อเพลิง” เยเกอร์กล่าว “พวกเขายังซื้อรถถัง CGH2 มาทดสอบระบบส่งกำลังนี้ด้วย”
“ทีมของผมได้รับมอบหมายให้สร้างต้นแบบถังแรงดันที่สามารถใช้งานได้ แต่ไม่ใช่เพราะปัญหาเรื่องพื้นที่จัดเก็บที่ถังทรงกระบอกจะก่อให้เกิด” เขาอธิบาย “ถังที่แบนกว่าจะต้านทานลมได้น้อยกว่า ดังนั้นจึงได้ประสิทธิภาพการบินที่ดีกว่า” ขนาดของถังโดยประมาณ 830 x 350 x 173 มม.
ถังพลาสติกเทอร์โมพลาสติกแบบเต็มรูปแบบที่ได้มาตรฐาน AFP สำหรับโครงการ HyDDen ทีม LCC จาก TUM ได้สำรวจแนวทางที่คล้ายกับที่ Glace ใช้ (ด้านบน) ในช่วงแรก แต่ต่อมาได้เปลี่ยนมาใช้แนวทางที่ใช้โมดูลโครงสร้างหลายแบบผสมผสานกัน ซึ่งต่อมาได้นำมาใช้งานซ้ำโดยใช้มาตรฐาน AFP (ด้านล่าง) เครดิตภาพ: มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก LCC
เยเกอร์กล่าวว่า “แนวคิดหนึ่งคล้ายกับวิธีการของเอลิซาเบธ [ไกลส์] คือการใช้เหล็กค้ำยันเพื่อชดเชยแรงดัดงอสูงที่ผนังภาชนะ อย่างไรก็ตาม แทนที่จะใช้กระบวนการม้วนเพื่อสร้างถัง เราใช้ AFP ดังนั้นเราจึงคิดที่จะสร้างส่วนแยกต่างหากของภาชนะรับแรงดัน ซึ่งมีโครงเหล็กติดตั้งอยู่แล้ว วิธีนี้ทำให้ผมสามารถรวมโมดูลแบบบูรณาการเหล่านี้เข้าด้วยกันหลายๆ โมดูล แล้วจึงปิดปลายด้วยฝาปิดเพื่อผนึกทุกอย่างก่อนที่จะทำการม้วน AFP ขั้นสุดท้าย”
เขากล่าวต่อว่า “เรากำลังพยายามสรุปแนวคิดดังกล่าวให้เสร็จสมบูรณ์ และเริ่มทดสอบการเลือกวัสดุ ซึ่งมีความสำคัญมากเพื่อให้แน่ใจว่ามีความต้านทานต่อการซึมผ่านของก๊าซ H2 ที่จำเป็น สำหรับเรื่องนี้ เราใช้เทอร์โมพลาสติกเป็นหลัก และกำลังศึกษาว่าวัสดุจะมีผลต่อพฤติกรรมการซึมผ่านและการประมวลผลในเครื่อง AFP อย่างไร สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าการบำบัดจะมีผลหรือไม่ และจำเป็นต้องมีการประมวลผลเพิ่มเติมหรือไม่ นอกจากนี้เรายังต้องการทราบว่าการเรียงซ้อนที่แตกต่างกันจะมีผลต่อการซึมผ่านของไฮโดรเจนผ่านภาชนะรับแรงดันหรือไม่”
ถังดังกล่าวจะทำจากเทอร์โมพลาสติกทั้งหมด และแผ่นพลาสติกจะจัดหาโดย Teijin Carbon Europe GmbH (วุพเพอร์ทาล ประเทศเยอรมนี) “เราจะใช้วัสดุ PPS [โพลีฟีนิลีนซัลไฟด์], PEEK [โพลีอีเทอร์คีโตน] และ LM PAEK [โพลีอะริลคีโตนหลอมเหลวต่ำ] ของพวกเขา” เยเกอร์กล่าว “จากนั้นจะทำการเปรียบเทียบเพื่อดูว่าวัสดุใดดีที่สุดสำหรับการป้องกันการทะลุทะลวงและการผลิตชิ้นส่วนที่มีประสิทธิภาพดีกว่า” เขาหวังว่าจะทำการทดสอบ การสร้างแบบจำลองโครงสร้างและกระบวนการ และการสาธิตครั้งแรกให้เสร็จสิ้นภายในปีหน้า
งานวิจัยนี้ดำเนินการภายใต้โมดูล COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ COMET ของกระทรวงการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ สิ่งแวดล้อม พลังงาน การคมนาคม นวัตกรรมและเทคโนโลยี และกระทรวงเทคโนโลยีดิจิทัลและเศรษฐกิจ ผู้เขียนขอขอบคุณพันธมิตรที่เข้าร่วม ได้แก่ Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, ออสเตรีย), Montanuniversitaet Leoben (คณะวิศวกรรมพอลิเมอร์และวิทยาศาสตร์ ภาควิชาเคมีวัสดุพอลิเมอร์ ภาควิชาวิทยาศาสตร์วัสดุและการทดสอบพอลิเมอร์), มหาวิทยาลัย Tampere (คณะวิศวกรรมวัสดุ) Peak Technology และ Faurecia ที่มีส่วนร่วมในงานวิจัยนี้ โมดูล COMET ได้รับทุนสนับสนุนจากรัฐบาลออสเตรียและรัฐบาลรัฐ Styria
แผ่นเสริมแรงล่วงหน้าสำหรับโครงสร้างรับน้ำหนักประกอบด้วยเส้นใยต่อเนื่อง ซึ่งไม่เพียงแต่ทำจากใยแก้วเท่านั้น แต่ยังรวมถึงใยคาร์บอนและใยอะรามิดด้วย
มีหลายวิธีในการผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิต ดังนั้น การเลือกวิธีการสำหรับชิ้นส่วนใดชิ้นส่วนหนึ่งจะขึ้นอยู่กับวัสดุ การออกแบบชิ้นส่วน และการใช้งานหรือการประยุกต์ใช้ในขั้นสุดท้าย นี่คือคู่มือการเลือกวิธีการ
บริษัท Shocker Composites และ R&M International กำลังพัฒนาระบบห่วงโซ่อุปทานเส้นใยคาร์บอนรีไซเคิลที่ไม่ก่อให้เกิดการฆ่าสัตว์ มีต้นทุนต่ำกว่าเส้นใยใหม่ และในที่สุดจะสามารถผลิตเส้นใยที่มีความยาวใกล้เคียงกับเส้นใยต่อเนื่องในด้านคุณสมบัติทางโครงสร้างได้