Стандартні резервуари з плоскою платформою для електромобілів BEV та FCEV використовують термопластичні та термореактивні композити зі скелетною конструкцією, яка забезпечує на 25% більше зберігання H2. #водень #тренди
Після того, як співпраця з BMW показала, що кубічний бак може забезпечити вищу об'ємну ефективність, ніж кілька невеликих циліндрів, Технічний університет Мюнхена розпочав проект з розробки композитної структури та масштабованого виробничого процесу для серійного виробництва. Автор зображення: TU Dresden (угорі ліворуч), Технічний університет Мюнхена, кафедра вуглецевих композитів (LCC)
Електромобілі на паливних елементах (FCEV), що працюють на водні з нульовим рівнем викидів (H2), забезпечують додаткові засоби для досягнення нульових екологічних цілей. Легковий автомобіль на паливних елементах з двигуном H2 можна заправити за 5-7 хвилин і має запас ходу 500 км, але наразі він дорожчий через низькі обсяги виробництва. Один зі способів зниження витрат – використовувати стандартну платформу для моделей BEV та FCEV. Наразі це неможливо, оскільки циліндричні резервуари типу 4, що використовуються для зберігання стисненого газоподібного H2 (CGH2) під тиском 700 бар у FCEV, не підходять для акумуляторних відсіків під кузовом, які були ретельно розроблені для електромобілів. Однак у цей плоский простір можуть поміститися резервуари під тиском у формі подушок та кубів.
Патент US5577630A на «Композитну конформну посудину високого тиску», заявка подана Thiokol Corp. у 1995 році (ліворуч), та прямокутна посудина високого тиску, запатентована BMW у 2009 році (праворуч).
Кафедра вуглецевих композитів (LCC) Мюнхенського технічного університету (TUM, Мюнхен, Німеччина) бере участь у двох проектах з розвитку цієї концепції. Перший – Polymers4Hydrogen (P4H), який очолює Центр компетенції з полімерів Леобена (PCCL, Леобен, Австрія). Робочий пакет LCC очолює стипендіатка Елізабет Глейс.
Другий проєкт – це Середовище демонстрації та розробки водню (HyDDen), де LCC очолює дослідник Крістіан Єгер. Обидва мають на меті створити масштабну демонстрацію виробничого процесу для виготовлення відповідного резервуара CGH2 з використанням вуглецевих волокнистих композитів.
Існує обмежена об'ємна ефективність, коли циліндри малого діаметра встановлюються в плоскі акумуляторні елементи (ліворуч) та кубічні резервуари під тиском типу 2, виготовлені зі сталевих вкладишів та зовнішньої оболонки з вуглецевого волокна/епоксидного композиту (праворуч). Джерело зображення: Рисунки 3 та 6 взяті з роботи «Чисельний підхід до проектування резервуарів під тиском типу II з внутрішніми натягнутими ніжками» Руфа та Заремби та ін.
Компанія P4H виготовила експериментальний кубічний резервуар, в якому використовується термопластична рама з композитними натяжними ременями/стійками, обмотаними епоксидною смолою, посиленою вуглецевим волокном. HyDDen використовуватиме аналогічну конструкцію, але застосовуватиме автоматичне укладання волокон (AFP) для виробництва всіх термопластичних композитних резервуарів.
Від патентної заявки Thiokol Corp. на «Композитну конформну посудину під тиском» 1995 року до німецького патенту DE19749950C2 1997 року, посудини для стисненого газу «можуть мати будь-яку геометричну конфігурацію», але особливо плоскі та неправильної форми, у порожнині, з'єднаній з опорою оболонки. Ці елементи використовуються таким чином, щоб вони могли витримувати силу розширення газу.
У статті Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (LLNL) 2006 року описано три підходи: конформний резервуар під тиском з намотуванням на нитку, мікрогратчастий резервуар під тиском, що містить внутрішню орторомбічну ґратчасту структуру (малі комірки розміром 2 см або менше), оточену тонкостінним контейнером з H2, та контейнер-реплікатор, що складається з внутрішньої структури, що складається з склеєних дрібних деталей (наприклад, шестикутних пластикових кілець) та композиції з тонкої зовнішньої оболонки. Дублікати контейнерів найкраще підходять для більших контейнерів, де традиційні методи можуть бути складними для застосування.
Патент DE102009057170A, поданий компанією Volkswagen у 2009 році, описує встановлену на транспортний засіб посудину під тиском, яка забезпечить високу ефективність використання ваги та покращить використання простору. Прямокутні резервуари використовують натяжні з'єднувачі між двома прямокутними протилежними стінками, а кути закруглені.
Вищезазначені та інші концепції цитуються Глейсс у статті «Розробка процесу для кубічних посудин під тиском з розтяжними стрижнями» Глейсс та ін. на ECCM20 (26-30 червня 2022 року, Лозанна, Швейцарія). У цій статті вона цитує дослідження TUM, опубліковане Майклом Руфом та Свеном Зарембою, яке виявило, що кубічна посудина під тиском з розтяжними стійками, що з'єднують прямокутні сторони, є ефективнішою, ніж кілька невеликих циліндрів, що поміщаються в простір плоскої батареї, забезпечуючи приблизно на 25% більше місця для зберігання.
За словами Глейсса, проблема встановлення великої кількості малих балонів типу 4 у плоскому корпусі полягає в тому, що «об’єм між балонами значно зменшується, а система також має дуже велику поверхню проникнення газу H2. Загалом, система забезпечує меншу ємність для зберігання, ніж кубічні банки».
Однак, є й інші проблеми з кубічною конструкцією резервуара. «Очевидно, що через стиснений газ потрібно протидіяти силам згину на плоских стінках», – сказав Глейсс. «Для цього потрібна посилена конструкція, яка з’єднується зсередини зі стінками резервуара. Але це важко зробити з композитами».
Глейс та її команда спробували включити арматурні стрижні натягу в резервуар під тиском таким чином, щоб це було придатним для процесу намотування ниток. «Це важливо для великосерійного виробництва, — пояснює вона, — а також дозволяє нам розробити схему намотування стінок контейнера, щоб оптимізувати орієнтацію волокон для кожного навантаження в зоні».
Чотири кроки для виготовлення пробного кубічного композитного резервуара для проекту P4H. Автор зображення: «Розробка виробничого процесу для кубічних посудин під тиском з розпіркою», Технічний університет Мюнхена, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, червень 2022 року.
Щоб досягти ланцюгової фіксації, команда розробила нову концепцію, що складається з чотирьох основних сходинок, як показано вище. Натяжні стійки, показані чорним кольором на сходинках, являють собою попередньо виготовлену рамну конструкцію, виготовлену за методами, запозиченими з проекту MAI Skelett. Для цього проекту BMW розробила «каркас» рами лобового скла з використанням чотирьох армованих волокном пултрузійних стрижнів, які потім були відлиті в пластикову раму.
Каркас експериментального кубічного резервуара. Шестигранні скелетні секції, надруковані на 3D-принтері TUM з використанням неармованого PLA-волокна (зверху), вставки пултрузійних стрижнів CF/PA6 як натяжних кріплень (посередині), а потім обмотування волокна навколо кріплень (знизу). Зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
«Ідея полягає в тому, що можна побудувати каркас кубічного резервуара як модульну конструкцію», – сказав Глейс. «Потім ці модулі поміщаються у формувальний верстат, натягнуті стійки розміщуються в модулях каркаса, а потім метод MAI Skelett використовується навколо стійок для їх інтеграції з деталями каркаса». Це метод масового виробництва, в результаті чого утворюється конструкція, яка потім використовується як оправка або серцевина для обгортання композитної оболонки резервуара для зберігання.
TUM розробив каркас резервуара як кубічну «подушку» з суцільними боками, закругленими кутами та шестикутним візерунком зверху та знизу, через який можна вставляти та кріпити стяжки. Отвори для цих стійок також були надруковані на 3D-принтері. «Для нашого першого експериментального резервуара ми надрукували на 3D-принтері шестигранні секції каркаса, використовуючи полімолочну кислоту [PLA, біотермопластик], тому що це було легко та дешево», – сказав Глейс.
Команда придбала 68 стрижнів з поліаміду 6 (PA6), армованого вуглецевим волокном, у SGL Carbon (Майтінген, Німеччина) для використання як стяжки. «Щоб перевірити концепцію, ми не робили жодного лиття під тиском», — каже Глейсс, — «а просто вставили проставки в каркас із стільниковим заповнювачем, надрукований на 3D-принтері, та склеїли їх епоксидним клеєм. Це потім забезпечує оправку для намотування резервуара». Вона зазначає, що хоча ці стрижні відносно легко намотувати, є деякі суттєві проблеми, які будуть описані пізніше.
«На першому етапі нашою метою було продемонструвати технологічність конструкції та виявити проблеми у виробничій концепції», – пояснив Глейсс. «Отже, натяжні стійки виступають із зовнішньої поверхні скелетної конструкції, і ми прикріплюємо вуглецеві волокна до цього осердя за допомогою мокрого намотування ниток. Після цього, на третьому кроці, ми згинаємо головку кожної розтяжки. Термопластик, тому ми просто використовуємо тепло, щоб змінити форму головки, щоб вона вирівнялася та зафіксувалася в першому шарі обгортки. Потім ми знову обгортаємо конструкцію, щоб плоска упорна головка була геометрично укладена всередині резервуара. Ламінат на стінках.
Розпірний ковпачок для намотування. TUM використовує пластикові ковпачки на кінцях натяжних стрижнів, щоб запобігти заплутуванню волокон під час намотування нитки. Автор зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
Глейс повторив, що цей перший резервуар був перевіркою концепції. «Використання 3D-друку та клею було лише для початкового тестування та дало нам уявлення про деякі проблеми, з якими ми зіткнулися. Наприклад, під час намотування нитки зачіпалися за кінці натяжних стрижнів, що призводило до розриву волокна, пошкодження волокна та зменшення кількості волокна, щоб протидіяти цьому. Ми використовували кілька пластикових ковпачків як допоміжні засоби для виробництва, які були розміщені на стовпах перед першим етапом намотування. Потім, коли внутрішні ламінати були виготовлені, ми зняли ці захисні ковпачки та змінили форму кінців стовпів перед остаточним обмотуванням».
Команда експериментувала з різними сценаріями реконструкції. «Ті, хто шукає щось навколо, працюють найкраще», — каже Грейс. «Крім того, під час етапу створення прототипів ми використовували модифікований зварювальний інструмент для нагріву та зміни форми наконечників рульових тяг. У концепції масового виробництва у вас був би один більший інструмент, який міг би одночасно формувати та перетворювати всі кінці стійок у ламінат для внутрішнього оздоблення...»
Змінена форма головок дишла. Технічний університет Мюнхена експериментував з різними концепціями та модифікував зварні шви, щоб вирівняти кінці композитних зв'язків для кріплення до ламінату стінки резервуара. Автор зображення: «Розробка виробничого процесу для кубічних посудин під тиском з розпіркою», Технічний університет Мюнхена, проект Polymers4Hydrogen, ECCM20, червень 2022 року.
Таким чином, ламінат затвердіває після першого етапу намотування, стійки змінюють форму, TUM завершує друге намотування ниток, а потім ламінат зовнішньої стінки резервуара затвердіває вдруге. Зверніть увагу, що це конструкція резервуара типу 5, що означає, що він не має пластикової облицювання як газового бар'єру. Дивіться обговорення в розділі «Наступні кроки» нижче.
«Ми розрізали першу демонстрацію на поперечні перерізи та нанесли на карту з’єднану область», – сказав Ґлейс. «Крупний план показує, що у нас були деякі проблеми з якістю ламінату, оскільки головки стійк не лежали рівно на внутрішньому ламінаті».
Вирішення проблем із зазорами між ламінатом внутрішньої та зовнішньої стінок резервуара. Модифікована головка тяг створює зазор між першим та другим витками експериментального резервуара. Автор зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
Цей початковий резервуар розміром 450 x 290 x 80 мм було завершено минулого літа. «З того часу ми досягли значного прогресу, але між внутрішнім та зовнішнім ламінатом все ще залишається зазор», – сказав Глейс. «Тому ми спробували заповнити ці зазори чистою смолою високої в’язкості. Це фактично покращує з’єднання між стійками та ламінатом, що значно збільшує механічне навантаження».
Команда продовжила розробляти конструкцію та процес резервуара, включаючи рішення для бажаної схеми намотування. «Стоки випробувального резервуара не були повністю загнуті, оскільки для такої геометрії було важко створити шлях намотування», – пояснив Ґлейс. «Наш початковий кут намотування становив 75°, але ми знали, що для виконання навантаження в цій посудині під тиском потрібно кілька контурів. Ми все ще шукаємо рішення цієї проблеми, але це непросто з програмним забезпеченням, яке зараз є на ринку. Це може стати подальшим проектом».
«Ми продемонстрували доцільність цієї виробничої концепції», — каже Глейсс, — «але нам потрібно продовжити роботу над покращенням з’єднання між ламінатом та зміною форми стяжних тяг. Зовнішні випробування на випробувальній машині. Ви витягуєте проставки з ламінату та перевіряєте механічні навантаження, які можуть витримувати ці з’єднання».
Ця частина проєкту Polymers4Hydrogen буде завершена наприкінці 2023 року, до того часу Gleis сподівається завершити другий демонстраційний резервуар. Цікаво, що сьогодні в конструкціях використовуються акуратні армовані термопластики в каркасі та термореактивні композити в стінках резервуара. Чи буде цей гібридний підхід використаний у фінальному демонстраційному резервуарі? «Так», – сказала Грейс. «Наші партнери в проєкті Polymers4Hydrogen розробляють епоксидні смоли та інші композитні матричні матеріали з кращими воднево-бар'єрними властивостями». Вона перераховує двох партнерів, які працюють над цією роботою: PCCL та Університет Тампере (Тампере, Фінляндія).
Глейсс та її команда також обмінялися інформацією та обговорили ідеї з Єгером щодо другого проекту HyDDen на основі конформного композитного резервуара LCC.
«Ми будемо виробляти конформний композитний резервуар під тиском для дослідницьких дронів», – каже Єгер. «Це співпраця між двома кафедрами: аерокосмічного та геодезичного факультету TUM – LCC та кафедри вертолітних технологій (HT). Проект буде завершено до кінця 2024 року, і зараз ми завершуємо розробку резервуара під тиском. Конструкція, яка більше відповідає аерокосмічному та автомобільному підходу. Після цього початкового етапу концепції наступним кроком є виконання детального структурного моделювання та прогнозування бар'єрних характеристик стінової конструкції».
«Вся ідея полягає в розробці дослідницького дрона з гібридною силовою установкою на паливних елементах та акумуляторах», – продовжив він. Він використовуватиме акумулятор під час високих потужних навантажень (тобто зльоту та посадки), а потім перемикатиметься на паливні елементи під час крейсерського польоту з невеликим навантаженням. «Команда HT вже мала дослідницький дрон і переробила силовий агрегат, щоб використовувати як акумулятори, так і паливні елементи», – сказав Єгер. «Вони також придбали бак CGH2 для тестування цієї трансмісії».
«Моїй команді було доручено створити прототип резервуара під тиском, який би підходив, але не через проблеми з пакуванням, які створив би циліндричний резервуар», – пояснює він. «Плоскіший резервуар не забезпечує такого великого опору вітру. Тож ви отримуєте кращі льотні характеристики». Розміри резервуара приблизно 830 x 350 x 173 мм.
Повністю термопластичний резервуар, сумісний з AFP. Для проекту HyDDen команда LCC в TUM спочатку досліджувала підхід, подібний до того, що використовував Glace (вище), але потім перейшла до підходу, що використовує комбінацію кількох структурних модулів, які згодом були надмірно використані з використанням AFP (нижче). Автор зображення: Технічний університет Мюнхена LCC.
«Одна ідея схожа на підхід Елізабет [Глейсс], — каже Ягер, — застосовувати натягувальні кріплення до стінки резервуара для компенсації високих сил згинання. Однак замість використання процесу намотування для виготовлення резервуара ми використовуємо AFP. Тому ми подумали про створення окремої секції резервуара під тиском, в яку стійки вже інтегровані. Такий підхід дозволив мені об’єднати кілька цих інтегрованих модулів, а потім застосувати торцеву кришку для герметизації всього перед остаточним намотуванням AFP».
«Ми намагаємося завершити таку концепцію, — продовжив він, — а також розпочати тестування вибору матеріалів, що дуже важливо для забезпечення необхідної стійкості до проникнення газоподібного H2. Для цього ми в основному використовуємо термопластичні матеріали та працюємо над різними способами впливу матеріалу на цю поведінку проникнення та обробку в машині AFP. Важливо зрозуміти, чи матиме обробка ефект і чи потрібна якась подальша обробка. Ми також хочемо знати, чи вплинуть різні стеки на проникнення водню через резервуар під тиском».
Резервуар буде повністю виготовлений з термопластику, а смужки постачатиме Teijin Carbon Europe GmbH (Вупперталь, Німеччина). «Ми використовуватимемо їхні матеріали PPS [поліфеніленсульфід], PEEK [поліефіркетон] та LM PAEK [низькоплавкий поліарилкетон]», – сказав Ягер. «Потім проводяться порівняння, щоб побачити, який з них найкраще підходить для захисту від проникнення та виробництва деталей з кращими характеристиками». Він сподівається завершити випробування, структурне та технологічне моделювання, а також перші демонстрації протягом наступного року.
Дослідницьку роботу було проведено в рамках модуля COMET «Polymers4Hydrogen» (ID 21647053) програми COMET Федерального міністерства зміни клімату, навколишнього середовища, енергетики, мобільності, інновацій та технологій і Федерального міністерства цифрових технологій та економіки. Автори дякують партнерам-учасникам: Polymer Competence Center Leoben GmbH (PCCL, Австрія), Montanuniversitaet Leoben (Факультет полімерної інженерії та науки, Кафедра хімії полімерних матеріалів, Кафедра матеріалознавства та випробування полімерів), Університету Тампере (Факультет інженерних матеріалів), Peak Technology та Faurecia за внесок у цю дослідницьку роботу. Модуль COMET фінансується урядом Австрії та урядом землі Штирія.
Попередньо армовані листи для несучих конструкцій містять безперервні волокна – не тільки зі скла, але й з вуглецю та араміду.
Існує багато способів виготовлення композитних деталей. Тому вибір методу для конкретної деталі залежатиме від матеріалу, конструкції деталі та кінцевого використання або застосування. Ось посібник з вибору.
Shocker Composites та R&M International розробляють ланцюг поставок переробленого вуглецевого волокна, який забезпечує нульовий забій, нижчу вартість, ніж у первинного волокна, і зрештою пропонуватиме довжину, що наближається до безперервного волокна за структурними властивостями.
Час публікації: 15 березня 2023 р.