Đại học Kỹ thuật Munich phát triển bể hình khối phù hợp sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon để tăng khả năng lưu trữ hydro |thế giới composite

Bồn chứa phẳng tiêu chuẩn dành cho BEV và FCEV sử dụng vật liệu tổng hợp nhiệt dẻo và nhiệt rắn với kết cấu khung cung cấp thêm 25% khả năng lưu trữ H2.#hydro #xu hướng
Sau khi hợp tác với BMW cho thấy rằng một thùng hình khối có thể mang lại hiệu suất thể tích cao hơn so với nhiều xi-lanh nhỏ, Đại học Kỹ thuật Munich đã bắt tay vào một dự án phát triển cấu trúc composite và quy trình sản xuất có thể mở rộng để sản xuất hàng loạt.Tín dụng hình ảnh: TU Dresden (trên cùng) bên trái), Đại học Kỹ thuật Munich, Khoa Vật liệu tổng hợp Carbon (LCC)
Các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV) chạy bằng hydro không phát thải (H2) cung cấp thêm phương tiện để đạt được các mục tiêu môi trường bằng không.Một chiếc ô tô chở khách chạy bằng pin nhiên liệu với động cơ H2 có thể được đổ đầy trong 5-7 phút và có phạm vi hoạt động 500 km, nhưng hiện đắt hơn do số lượng sản xuất thấp.Một cách để giảm chi phí là sử dụng nền tảng tiêu chuẩn cho các mẫu BEV và FCEV.Điều này hiện không thể thực hiện được vì bình hình trụ Loại 4 được sử dụng để chứa khí nén H2 (CGH2) ở 700 bar trong FCEV không phù hợp với ngăn chứa ắc quy dưới thân xe đã được thiết kế cẩn thận cho xe điện.Tuy nhiên, bình chịu áp lực ở dạng gối và hình khối có thể phù hợp với không gian đóng gói phẳng này.
Bằng sáng chế US5577630A cho “Bình áp suất phù hợp tổng hợp”, đơn đăng ký của Thiokol Corp. vào năm 1995 (trái) và bình chịu áp lực hình chữ nhật được BMW cấp bằng sáng chế vào năm 2009 (phải).
Khoa Hợp chất Carbon (LCC) của Đại học Kỹ thuật Munich (TUM, Munich, Đức) tham gia vào hai dự án để phát triển khái niệm này.Đầu tiên là Polymers4Hydrogen (P4H), do Trung tâm Năng lực Polyme Leoben (PCCL, Leoben, Áo) đứng đầu.Gói công việc LCC được dẫn dắt bởi Fellow Elizabeth Glace.
Dự án thứ hai là Môi trường phát triển và trình diễn hydro (HyDDen), nơi LCC được dẫn dắt bởi Nhà nghiên cứu Christian Jaeger.Cả hai đều nhằm mục đích tạo ra một cuộc trình diễn quy mô lớn về quy trình sản xuất để tạo ra một chiếc xe tăng CGH2 phù hợp bằng cách sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon.
Hiệu suất thể tích bị hạn chế khi các xi lanh đường kính nhỏ được lắp đặt trong các ngăn pin phẳng (trái) và bình chịu áp lực dạng khối 2 làm bằng các lớp lót thép và lớp vỏ ngoài bằng composite sợi carbon/epoxy (phải).Nguồn hình ảnh: Hình 3 và 6 từ “Phương pháp tiếp cận thiết kế số cho tàu hộp áp suất loại II có chân căng bên trong” của Ruf và Zaremba et al.
P4H đã chế tạo một bể hình lập phương thử nghiệm sử dụng khung nhựa nhiệt dẻo với dây đai/thanh chống căng tổng hợp được bọc trong epoxy gia cố bằng sợi carbon.HyDDen sẽ sử dụng một thiết kế tương tự, nhưng sẽ sử dụng sắp xếp sợi tự động (AFP) để sản xuất tất cả các bồn composite nhựa nhiệt dẻo.
Từ đơn xin cấp bằng sáng chế của Thiokol Corp. cho “Bình áp suất phù hợp tổng hợp” vào năm 1995 đến Bằng sáng chế DE19749950C2 của Đức vào năm 1997, các bình chứa khí nén “có thể có bất kỳ cấu hình hình học nào”, nhưng đặc biệt là hình dạng phẳng và không đều, trong một khoang nối với giá đỡ vỏ. .các phần tử được sử dụng để chúng có thể chịu được lực giãn nở của khí.
Một bài báo năm 2006 của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) mô tả ba cách tiếp cận: một bình áp suất phù hợp với vết thương dạng sợi, một bình áp suất vi mạng chứa cấu trúc mạng trực thoi bên trong (các tế bào nhỏ từ 2 cm trở xuống), được bao quanh bởi một bình chứa H2 có thành mỏng, và một thùng chứa bộ sao chép, bao gồm một cấu trúc bên trong bao gồm các bộ phận nhỏ được dán (ví dụ: các vòng nhựa hình lục giác) và một thành phần của lớp vỏ mỏng bên ngoài.Các vùng chứa trùng lặp phù hợp nhất với các vùng chứa lớn hơn, nơi các phương pháp truyền thống có thể khó áp dụng.
Bằng sáng chế DE102009057170A do Volkswagen nộp vào năm 2009 mô tả một bình chịu áp suất gắn trên xe sẽ mang lại hiệu quả trọng lượng cao đồng thời cải thiện việc sử dụng không gian.Bể hình chữ nhật sử dụng các đầu nối căng giữa hai bức tường đối diện hình chữ nhật và các góc được bo tròn.
Các khái niệm trên và các khái niệm khác được Gleiss trích dẫn trong bài báo “Phát triển quy trình cho các bình áp suất khối có thanh căng” của Gleiss et al.tại ECCM20 (26-30 tháng 6 năm 2022, Lausanne, Thụy Sĩ).Trong bài báo này, cô ấy trích dẫn một nghiên cứu TUM do Michael Roof và Sven Zaremba xuất bản, nghiên cứu này phát hiện ra rằng một bình áp suất hình khối với các thanh chống căng kết nối các mặt hình chữ nhật sẽ hiệu quả hơn một số xi lanh nhỏ vừa với không gian của một cục pin phẳng, cung cấp khoảng 25 % hơn.không gian lưu trữ.
Theo Gleiss, vấn đề với việc lắp đặt một số lượng lớn các xi lanh loại nhỏ 4 trong một hộp phẳng là “thể tích giữa các xi lanh giảm đi rất nhiều và hệ thống cũng có bề mặt thẩm thấu khí H2 rất lớn.Nhìn chung, hệ thống cung cấp dung lượng lưu trữ ít hơn so với bình hình khối.”
Tuy nhiên, có những vấn đề khác với thiết kế hình khối của xe tăng.Gleiss nói: “Rõ ràng là do khí nén, bạn cần phải chống lại các lực uốn cong trên các bức tường phẳng.“Đối với điều này, bạn cần một cấu trúc gia cố kết nối bên trong với các bức tường của bể.Nhưng điều đó khó thực hiện với vật liệu tổng hợp.”
Glace và nhóm của cô ấy đã cố gắng kết hợp các thanh căng gia cố vào bình chịu áp lực theo cách phù hợp với quy trình quấn dây tóc.Cô ấy giải thích: “Điều này rất quan trọng đối với sản xuất số lượng lớn, và cũng cho phép chúng tôi thiết kế kiểu uốn lượn của các thành thùng chứa để tối ưu hóa hướng sợi cho từng tải trong khu vực.”
Bốn bước chế tạo bồn composite lập phương thử nghiệm cho dự án P4H.Tín dụng hình ảnh: “Phát triển quy trình sản xuất bình áp lực lập phương có thanh giằng”, Đại học Kỹ thuật Munich, Dự án Polyme4Hydrogen, ECCM20, tháng 6 năm 2022.
Để đạt được on-chain, nhóm đã phát triển một khái niệm mới bao gồm bốn bước chính, như được hiển thị ở trên.Các thanh chống căng, được thể hiện bằng màu đen trên các bậc thang, là một cấu trúc khung đúc sẵn được chế tạo bằng các phương pháp lấy từ dự án MAI Skelett.Đối với dự án này, BMW đã phát triển một “bộ khung” khung kính chắn gió bằng cách sử dụng bốn thanh pultrusion được gia cố bằng sợi, sau đó được đúc thành một khung nhựa.
Khung của một bể hình khối thí nghiệm.Các phần khung xương lục giác được in 3D bởi TUM bằng cách sử dụng dây tóc PLA không gia cố (trên cùng), chèn các thanh pultrusion CF/PA6 làm nẹp căng (giữa) và sau đó quấn dây tóc quanh nẹp (dưới cùng).Tín dụng hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Glace nói: “Ý tưởng là bạn có thể xây dựng khung của một chiếc xe tăng hình khối như một cấu trúc mô-đun.“Các mô-đun này sau đó được đặt trong một công cụ đúc, các thanh chống căng được đặt trong các mô-đun khung, sau đó phương pháp của MAI Skelett được sử dụng xung quanh các thanh chống để tích hợp chúng với các bộ phận của khung.”phương pháp sản xuất hàng loạt, tạo ra một cấu trúc mà sau đó được sử dụng làm trục gá hoặc lõi để bọc vỏ composite của bể chứa.
TUM đã thiết kế khung bể dưới dạng một “đệm” hình khối với các cạnh chắc chắn, các góc bo tròn và hoa văn hình lục giác ở mặt trên và mặt dưới để có thể chèn và gắn các thanh giằng.Các lỗ cho các giá đỡ này cũng được in 3D.Glace cho biết: “Đối với bể thử nghiệm ban đầu của chúng tôi, chúng tôi đã in 3D các phần khung hình lục giác bằng cách sử dụng axit polylactic [PLA, một loại nhựa nhiệt dẻo sinh học] vì nó dễ dàng và rẻ tiền.
Nhóm đã mua 68 thanh polyamide 6 (PA6) được gia cố bằng sợi carbon pultruded từ SGL Carbon (Meitingen, Đức) để sử dụng làm dây buộc.Gleiss cho biết: “Để kiểm tra khái niệm này, chúng tôi đã không thực hiện bất kỳ công đoạn đúc nào mà chỉ cần chèn các miếng đệm vào khung lõi tổ ong được in 3D và dán chúng bằng keo epoxy.Điều này sau đó cung cấp một trục gá để cuộn xe tăng.Cô ấy lưu ý rằng mặc dù những thanh này tương đối dễ quấn, nhưng có một số vấn đề quan trọng sẽ được mô tả sau.
Gleiss giải thích: “Ở giai đoạn đầu tiên, mục tiêu của chúng tôi là chứng minh khả năng sản xuất của thiết kế và xác định các vấn đề trong ý tưởng sản xuất.“Vì vậy, các thanh chống căng nhô ra khỏi bề mặt bên ngoài của cấu trúc khung và chúng tôi gắn các sợi carbon vào lõi này bằng cách sử dụng cuộn dây tóc ướt.Sau đó, trong bước thứ ba, chúng tôi uốn cong đầu của mỗi thanh giằng.nhựa nhiệt dẻo, vì vậy chúng tôi chỉ sử dụng nhiệt để định hình lại phần đầu để nó phẳng ra và khóa vào lớp bọc đầu tiên.Sau đó, chúng tôi tiến hành bọc lại cấu trúc sao cho đầu đẩy phẳng được bao bọc về mặt hình học bên trong bể.dán trên tường.
Nắp đệm cho cuộn dây.TUM sử dụng các nắp nhựa ở các đầu của thanh căng để ngăn các sợi bị rối trong quá trình quấn dây tóc.Tín dụng hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Glace nhắc lại rằng chiếc xe tăng đầu tiên này là một bằng chứng về ý tưởng.“Việc sử dụng in 3D và keo chỉ dành cho thử nghiệm ban đầu và cho chúng tôi ý tưởng về một số vấn đề mà chúng tôi gặp phải.Ví dụ, trong quá trình quấn, các sợi bị vướng vào các đầu của thanh căng, gây đứt sợi, hư sợi và giảm lượng sợi để khắc phục điều này.chúng tôi đã sử dụng một vài nắp nhựa làm công cụ hỗ trợ sản xuất được đặt trên các cột trước bước quấn đầu tiên. Sau đó, khi các lớp mỏng bên trong được tạo ra, chúng tôi đã tháo các nắp bảo vệ này và định hình lại các đầu của cột trước khi bọc lần cuối.”
Nhóm đã thử nghiệm các kịch bản tái thiết khác nhau."Những người nhìn xung quanh làm việc tốt nhất," Grace nói.“Ngoài ra, trong giai đoạn tạo mẫu, chúng tôi đã sử dụng một công cụ hàn đã được sửa đổi để tác dụng nhiệt và định hình lại các đầu thanh giằng.Trong khái niệm sản xuất hàng loạt, bạn sẽ có một công cụ lớn hơn có thể định hình và tạo hình tất cả các đầu của thanh chống thành một tấm laminate hoàn thiện bên trong cùng một lúc..”
Đầu thanh kéo được định hình lại.TUM đã thử nghiệm các khái niệm khác nhau và sửa đổi các mối hàn để căn chỉnh các đầu của thanh giằng composite để gắn vào thành bể.Tín dụng hình ảnh: “Phát triển quy trình sản xuất bình áp lực lập phương có thanh giằng”, Đại học Kỹ thuật Munich, Dự án Polyme4Hydrogen, ECCM20, tháng 6 năm 2022.
Do đó, tấm laminate được xử lý sau bước cuộn đầu tiên, các trụ được định hình lại, TUM hoàn thành cuộn sợi thứ hai, và sau đó tấm laminate thành bể bên ngoài được xử lý lần thứ hai.Xin lưu ý rằng đây là thiết kế bình loại 5, có nghĩa là nó không có lớp lót nhựa làm rào cản khí.Xem phần thảo luận trong phần Các bước tiếp theo bên dưới.
Glace cho biết: “Chúng tôi cắt bản demo đầu tiên thành các mặt cắt ngang và lập bản đồ khu vực được kết nối.“Cận cảnh cho thấy rằng chúng tôi có một số vấn đề về chất lượng với tấm laminate, với các đầu thanh chống không nằm phẳng trên tấm laminate bên trong.”
Giải quyết các vấn đề về khoảng cách giữa lớp laminate của thành trong và ngoài của bể.Đầu thanh giằng được sửa đổi tạo ra khoảng cách giữa lượt thứ nhất và lượt thứ hai của bể thí nghiệm.Tín dụng hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Chiếc xe tăng ban đầu có kích thước 450 x 290 x 80mm này đã được hoàn thành vào mùa hè năm ngoái.Glace nói: “Kể từ đó, chúng tôi đã đạt được nhiều tiến bộ, nhưng chúng tôi vẫn còn khoảng cách giữa nội thất và ngoại thất.“Vì vậy, chúng tôi đã cố gắng lấp đầy những khoảng trống đó bằng một loại nhựa sạch, có độ nhớt cao.Điều này thực sự cải thiện kết nối giữa đinh tán và lớp gỗ, làm tăng đáng kể ứng suất cơ học.”
Nhóm tiếp tục phát triển quy trình và thiết kế bể chứa, bao gồm các giải pháp cho kiểu cuộn dây mong muốn.Glace giải thích: “Các cạnh của bể thử nghiệm không được uốn cong hoàn toàn vì hình học này khó tạo ra một đường uốn lượn.“Góc cuộn dây ban đầu của chúng tôi là 75°, nhưng chúng tôi biết rằng cần có nhiều mạch điện để đáp ứng tải trong bình chịu áp lực này.Chúng tôi vẫn đang tìm giải pháp cho vấn đề này, nhưng nó không dễ dàng với các phần mềm hiện có trên thị trường.Nó có thể trở thành một dự án tiếp theo.
Gleiss cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh tính khả thi của ý tưởng sản xuất này, nhưng chúng tôi cần nỗ lực hơn nữa để cải thiện kết nối giữa tấm gỗ ép và định hình lại các thanh giằng.“Thử nghiệm bên ngoài trên máy thử nghiệm.Bạn kéo các miếng đệm ra khỏi tấm gỗ và kiểm tra tải trọng cơ học mà các khớp nối đó có thể chịu được.”
Phần này của dự án Polyme4Hydrogen sẽ được hoàn thành vào cuối năm 2023, khi đó Gleis hy vọng sẽ hoàn thành chiếc xe tăng trình diễn thứ hai.Thật thú vị, các thiết kế ngày nay sử dụng nhựa nhiệt dẻo được gia cố gọn gàng trong khung và vật liệu tổng hợp nhiệt rắn trong thành bể.Liệu phương pháp kết hợp này có được sử dụng trong bể trình diễn cuối cùng không?“Phải,” Grace nói.“Các đối tác của chúng tôi trong dự án Polymers4Hydrogen đang phát triển nhựa epoxy và các vật liệu ma trận composite khác có đặc tính ngăn hydro tốt hơn.”Cô liệt kê hai đối tác làm việc trong công việc này, PCCL và Đại học Tampere (Tampere, Phần Lan).
Gleiss và nhóm của cô ấy cũng đã trao đổi thông tin và thảo luận ý tưởng với Jaeger về dự án HyDDen thứ hai từ bồn composite phù hợp LCC.
Jaeger nói: “Chúng tôi sẽ sản xuất một bình chịu áp lực tổng hợp phù hợp cho máy bay không người lái nghiên cứu.“Đây là sự hợp tác giữa hai khoa là Khoa Hàng không Vũ trụ và Trắc địa của TUM–LCC và Khoa Công nghệ Trực thăng (HT).Dự án sẽ hoàn thành vào cuối năm 2024 và hiện chúng tôi đang hoàn thiện bình chịu áp lực.một thiết kế thiên về cách tiếp cận hàng không vũ trụ và ô tô.Sau giai đoạn khái niệm ban đầu này, bước tiếp theo là thực hiện mô hình cấu trúc chi tiết và dự đoán hiệu suất rào cản của cấu trúc tường.”
Ông tiếp tục: “Toàn bộ ý tưởng là phát triển một máy bay không người lái thám hiểm với pin nhiên liệu lai và hệ thống đẩy bằng pin.Nó sẽ sử dụng pin trong quá trình tải năng lượng cao (tức là cất cánh và hạ cánh) và sau đó chuyển sang pin nhiên liệu trong quá trình bay tải nhẹ.Yeager cho biết: “Nhóm HT đã có một máy bay không người lái nghiên cứu và đã thiết kế lại hệ thống truyền động để sử dụng cả pin và pin nhiên liệu.“Họ cũng đã mua một chiếc xe tăng CGH2 để thử nghiệm đường truyền này.”
Anh ấy giải thích: “Nhóm của tôi được giao nhiệm vụ chế tạo một nguyên mẫu bình áp suất phù hợp, nhưng không phải vì các vấn đề về đóng gói mà bình hình trụ sẽ tạo ra.“Bình xăng phẳng hơn không tạo ra nhiều lực cản gió.Vì vậy, bạn sẽ có được hiệu suất bay tốt hơn.”Kích thước bể xấp xỉ.830 x 350 x 173 mm.
Bể tuân thủ AFP hoàn toàn bằng nhựa nhiệt dẻo.Đối với dự án HyDDen, nhóm LCC tại TUM ban đầu đã khám phá một cách tiếp cận tương tự như cách tiếp cận được sử dụng bởi Glace (ở trên), nhưng sau đó chuyển sang cách tiếp cận bằng cách sử dụng kết hợp một số mô-đun cấu trúc, sau đó được lạm dụng bằng AFP (bên dưới).Tín dụng hình ảnh: Đại học Kỹ thuật Munich LCC.
Yager nói: “Một ý tưởng tương tự như cách tiếp cận của Elisabeth [Gleiss] là áp dụng các nẹp căng vào thành mạch máu để bù cho các lực uốn cao.Tuy nhiên, thay vì sử dụng quy trình cuộn dây để chế tạo bể, chúng tôi sử dụng AFP.Do đó, chúng tôi đã nghĩ đến việc tạo ra một phần riêng biệt của bình chịu áp lực, trong đó các giá đỡ đã được tích hợp sẵn.Cách tiếp cận này cho phép tôi kết hợp một số mô-đun tích hợp này và sau đó áp dụng nắp cuối để bịt kín mọi thứ trước khi quấn AFP cuối cùng.”
“Chúng tôi đang cố gắng hoàn thiện một khái niệm như vậy,” anh ấy tiếp tục, “và cũng bắt đầu thử nghiệm việc lựa chọn vật liệu, điều rất quan trọng để đảm bảo khả năng chống lại sự xâm nhập của khí H2 cần thiết.Đối với điều này, chúng tôi chủ yếu sử dụng vật liệu nhựa nhiệt dẻo và đang nghiên cứu về cách thức vật liệu này sẽ ảnh hưởng đến hành vi thẩm thấu này và quá trình xử lý trong máy AFP.Điều quan trọng là phải hiểu liệu việc xử lý có ảnh hưởng hay không và liệu có cần xử lý hậu kỳ hay không.Chúng tôi cũng muốn biết liệu các ngăn xếp khác nhau có ảnh hưởng đến sự thẩm thấu hydro qua bình chịu áp lực hay không.”
Bình xăng sẽ được làm hoàn toàn bằng nhựa nhiệt dẻo và các dải sẽ được cung cấp bởi Teijin Carbon Europe GmbH (Wuppertal, Đức).“Chúng tôi sẽ sử dụng các vật liệu PPS [polyphenylene sulfide], PEEK [polyether ketone] và LM PAEK [polyaryl ketone nóng chảy thấp] của họ,” Yager nói.“Sau đó, các so sánh được thực hiện để xem cái nào là tốt nhất để bảo vệ chống thâm nhập và sản xuất các bộ phận có hiệu suất tốt hơn.”Anh ấy hy vọng sẽ hoàn thành thử nghiệm, mô hình hóa cấu trúc và quy trình cũng như các cuộc trình diễn đầu tiên trong năm tới.
Công việc nghiên cứu được thực hiện trong mô-đun COMET “Polymers4Hydrogen” (ID 21647053) trong chương trình COMET của Bộ Biến đổi Khí hậu, Môi trường, Năng lượng, Di động, Đổi mới và Công nghệ và Bộ Kinh tế và Công nghệ Kỹ thuật số Liên bang..Các tác giả cảm ơn các đối tác tham gia Trung tâm Năng lực Polyme Leoben GmbH (PCCL, Áo), Montanuniversitaet Leoben (Khoa Khoa học và Kỹ thuật Polyme, Khoa Hóa học Vật liệu Polyme, Khoa Khoa học Vật liệu và Thử nghiệm Polyme), Đại học Tampere (Khoa Kỹ thuật) Nguyên vật liệu).) Science), Peak Technology và Faurecia đã đóng góp cho công trình nghiên cứu này.COMET-Modul được tài trợ bởi chính phủ Áo và chính phủ bang Styria.
Các tấm gia cố trước dành cho kết cấu chịu lực chứa các sợi liên tục – không chỉ từ thủy tinh mà còn từ carbon và aramid.
Có nhiều cách để tạo ra các bộ phận composite.Do đó, việc lựa chọn phương pháp cho một bộ phận cụ thể sẽ phụ thuộc vào vật liệu, thiết kế của bộ phận và mục đích sử dụng hoặc ứng dụng cuối cùng.Đây là một hướng dẫn lựa chọn.
Shocker Composites và R&M International đang phát triển chuỗi cung ứng sợi carbon tái chế không cần giết mổ, chi phí thấp hơn sợi nguyên chất và cuối cùng sẽ cung cấp độ dài gần bằng sợi liên tục về đặc tính cấu trúc.


Thời gian đăng: 15-03-2023