Kompozitní tlaková nádoba s hybridní vláknovou výztuží

0570062 - ÚTAM 2023 RIV CZ cze L - Prototyp, funkční vzorek
Dubinin, P. - Dubinin, S. - Drdlová, M. - Šperl, Martin
Kompozitní tlaková nádoba s hybridní vláknovou výztuží.
[Composite pressure vessel with hybrid fibre reinforcement.]
Interní kód: FW01010355-V7 ; 2022
Technické parametry: Konstrukční řešení a design této tlakové nádoby s polymerním linerem splňuje současné technické požadavky na opravdu 'high-tech' tlakovou nádobu, a to jak z pohledu těsnosti, stability, chemické odolnosti (s ohledem na susceptibilitu liliem k použité látce), hmotnosti a její kvality, při jejím návrhu byla zohledněna také ekonomická rentabilita a technologické možnosti zavedení výroby v režimu automatického provozu. Technické parametry uhlíkové kompozitní tlakové nádoby jsou následující: vnější průměr D=230 mm, délka L=415 mm, vnitřní objem = 13,5 litrů, čistá hmotnost bez ventilu je m = 1,84 kg. Tlaková kapacita do porušení nádoby činí 321 barů (32,1 MPa) (průměrná hodnota z pěti provedených burst testů – z toho ani jedna nádoba nepraskla pod hodnotou 310 bar).
Ekonomické parametry: Oproti běžně používanému řešení s kovovým hliníkovým linerem v obdobném rozměru a tlakové kapacitě má vyvinutý funkční vzorek hmotnostní úsporu cca 38 % (v případě že je použita povrchová zodolňující úprava) nebo 54 % (nádoba bez povrchové úpravy). Je tedy s bohatou rezervou splněna podmínka hmotnostní úspory min. 10 % oproti konkurenčním řešením kompozitních nádob s kovovým linerem. Vyvinutá tlaková nádoba je konkurenceschopná i z pohledu ceny. Díky úspornější technologii spojené s nižší spotřebou energie a automatizací bude možné dodat tlakovou nádobu na trh za ceno o cca 5 % nižší než je cena konkurenčních produktů v dané kategorii. Vyrobený funkční vzorek bude sloužit k předfinálním výrobním testům a k odladění výrobní technologie jako celku. Jedná se již o plně funkční výrobek, který je možné modifikovat podle požadavků trhu. Bude sloužit jako vstup pro následné optimalizace směřující k vývoji finálního produktu - prototypu. Zároveň také bude sloužit jako prezentační produkt pro obchodní jednání.
Grant CEP: GA TA ČR(CZ) FW01010355
Institucionální podpora: RVO:68378297
Klíčová slova: composite cylinders
Obor OECD: Composites (including laminates, reinforced plastics, cermets, combined natural and synthetic fibre fabrics

Funkční vzorek prezentuje tenkostěnnou kompozitní tiskovou nádobu s hybridní vláknovou výztuží realizovanou uhlíkovými a aramidovými vlákny. Linei je tvořen materiálem PET. Geometrie návinu uhlíkových a ararnidových rovingů byla navržena na co nejvyšší pevnostní únosnost tlakové nádoby s ohledem na počet návinů a její hmotnost (základem byla aplikace analytického přístupu uvedeného v „Vasiljev VV, Mechanics of Composite Structures. London: Taylor and Francis“) s tím, že byl také úspěšně aplikován technologický postup návinu umožňující zpevnění kritické části tlakové nádoby (přechod den do válcové části nádoby). Zároveň bylo kombinací s aramidovými vlákny dosaženo zodolnění vůči proražení nádoby (plošně je celá nádoba pokryta ararmidem v prostorovém návinu). Do procesu výroby bylo také zařazeno vakuování návinu (vyšší integrita skořepiny). Těsnící napojení hrdlové části lineru na plnící/vypouštěcí integrovaný nátrubkový systém je řešen dle unikátního postupu, který byl patentován firmou HPC Research, s.r.o. ještě před začátkem řešení projektu. Jedná se o mezinárodní patent č. WO 2017/125098 A1 a národní patent č. CZ 305647 B6.

The functional specimen presents a thin-walled composite printing vessel with hybrid fiber reinforcement realized by carbon and aramid fibers. The winding geometry of the carbon and ararnide rovings was designed to maximize the strength capacity of the pressure vessel with respect to the number of windings and its weight (based on the application of the analytical approach presented in „Vasiliev VV, Mechanics of Composite Structures. London: Taylor and Francis“), while the winding technology was also successfully applied to allow the reinforcement of the critical part of the pressure vessel (the transition of the bottom to the cylindrical part of the vessel). At the same time, a combination with aramid fibres has been used to achieve a puncture resistant vessel (the entire vessel is covered with arramid in a spatial winding). Vacuuming of the roll was also included in the manufacturing process (higher shell integrity). The sealing connection of the neck part of the liner to the filling/discharging integrated sleeve system is designed according to a unique process that was patented by HPC Research, s.r.o. before the project was started. This is international patent No. WO 2017/125098 A1 and national patent No. CZ 305647 B6.
Trvalý link: https://hdl.handle.net/11104/0341435