Третье издание Лазерного коллоквиума Hydrogen LKH 2 привлекло в Аахен 70 специалистов по производству. После двух виртуальных встреч 3-я LKH 2 впервые состоялась как очное мероприятие, которое Институт лазерных технологий Фраунгофера ILT использовал для демонстраций в новой водородной лаборатории, которая отображает всю технологическую цепочку. На двухдневном инсайдерском собрании водородного сообщества гости LKH 2 также узнали, как жители Аахена хотят активизировать «H2GO — Национальный план действий по производству топливных элементов» с помощью своей исследовательской деятельности.
Он готов к серийному производству в водородном будущем
«Энергия завтрашнего дня — это вода, разложенная электрическим током. Разложенные таким образом элементы воды, водород и кислород, обеспечат снабжение Земли энергией на неопределенный период времени». Эксперимент 1838 г. Но время для газовой батареи Шенбейна, как он ее называл, еще не пришло.
Придет ли прорыв с тяжелым грузовиком?
Видение Жюля Верна теперь может стать реальностью, но в отношении дорожного движения: более 180 лет спустя министр транспорта Др. Фолькер Виссинг, который поддерживает производство топливных элементов для грузовиков с 80 миллионами евро, которые коалиция 19 институтов Фраунгофера должна реализовать в проекте «H2GO - Национальный план действий по производству топливных элементов». По словам Виссинга, амбициозный проект, координируемый Институтом станкостроения и технологии формовки им. Фраунгофера в Хемнице IWU, должен внести значительный вклад в значительное снижение затрат на водородные транспортные средства при движении тяжелых грузов.
3-й LKH 2 показал, насколько интенсивно исследования и промышленность уже работают над этим в Аахене . В центре внимания мероприятия было серийное производство электролизеров и топливных элементов. В дополнение к мембранно-электродному блоку для каждого из этих так называемых пакетов требуется от 300 до 400 биполярных пластин (БПП). Производство по-прежнему не только слишком медленное, но и слишком дорогое: в настоящее время производство так называемых стеков стоит в общей сложности от 300 до 400 евро за киловатт. Проект H2GO призван помочь снизить затраты примерно до 30 евро за киловатт.
Этому могут способствовать фундаментальные исследования специалистов Fraunhofer ILT в их новой водородной лаборатории площадью 300 квадратных метров. Хотя подобные учреждения есть по всей стране, по словам доктора. Александр Оловинский, инициатор LKH 2 и руководитель отдела соединения и разделения Fraunhofer ILT, особого уникального предложения: «Что касается разнообразия практических возможностей, наша новая водородная лаборатория уникальна». Гости LKH 2 , которые были в сентябре, видели живые демонстрации на испытательных стендах того, как, например, тонкие пластины металла толщиной от 70 до 100 микрометров могут быть точно вырезаны лазером и надежно сварены для формирования газонепроницаемых пакетов.
Интенсивные демонстрации также касались того, как можно предотвратить типичные проблемы не только в лаборатории, но и в серийных условиях. Здесь искусственный интеллект (ИИ) уже несколько раз зарекомендовал себя в Аахене. Два примера из многих: Др. Франк Шнайдер из группы Macro Joining and Cutting в Fraunhofer ILT представил онлайн-оптимизатор цифровых процессов для интеллектуальных лазерных машин (DIPOOL), в котором исследователи из Аахена впервые сочетают временное и пространственное программирование и управляемость лазерных инструментов с машинным обучением. время. Здесь, в рамках проекта BMBF DIPOOL, институт тесно сотрудничает с совершенно новым типом многоспектральной сенсорной технологии от 4D Photonics GmbH в Изернхагене, которую управляющий директор Кристоф Франц также использует в качестве «наблюдателя за сваркой» при сварке биполярных пластин.
Дубль второй: сиамская нейронная сеть сравнивает срезы
Кристиан Кнаак из группы Process Sensors and Systems Technology в Fraunhofer ILT, с другой стороны, полагается на так называемую сиамскую нейронную сенсорную сеть для быстрого обнаружения брызг при лазерной микросварке BPP, которая анализирует не все изображение, а только сравнивает характерные участки друг с другом. В целях дальнейших исследований Кнаак предложил в будущем не только отслеживать фактический лазерный процесс с помощью ИИ, но и нацеливаться на предшествующие и последующие этапы процесса.
Металлическая 3D-печать также подходит для производства пластин. Например, для электролизеров для производства водорода требуются компоненты, которые часто состоят из специальных комбинаций материалов. Как Fraunhofer ILT производит такие пластины с помощью лазерной наплавки (LMD: Laser Material Deposition), описал д-р. Андреас Уисдом, руководитель отдела LMD и термообработки покрытий Fraunhofer ILT. Во время экскурсий по лаборатории в институте гости LKH2 увидели, как система LMD покрывает пластину из мягкой стали тонким пористым никель-алюминиевым сплавом.
Двойной лазерный луч предотвращает эффект выпуклости
Не в первый раз на мероприятии LKH 2 упоминался эффект горба слов, возникающий при лазерной сварке: при высоких скоростях сварки сварочная ванна поднимается и образует жемчужины; шов течет. В качестве контрмеры Dr.-Ing. Ян Веберпалс, специалист по лазерным лучевым процессам для изготовления кузовов автомобилей и электромобильности в Audi AG в Неккарсульме, объясняет процесс ARM от производителя лазеров Coherent. ARM означает «регулируемая кольцевая модуляция»: модулированное взаимодействие центрального луча с лазерным кольцом. Специально изменив интенсивность двух лазерных лучей, Weberpals удалось сварить тонкие биполярные пластины газонепроницаемо и без брызг со скоростью один метр в секунду. Теперь он стремится к максимальной скорости 1,2 метра в секунду, которая имеет для него смысл.
TRUMPF Lasertechnik GmbH, Дитцинген, также делает ставку на целенаправленное формирование луча. По словам Ральфа Киммела, директора по стратегическому управлению клиентами, распределение одного луча одномодового лазера на несколько лучей доказало свою эффективность здесь для сдерживания динамики сварочной ванны. Скорость лазерной сварки уже может быть увеличена более чем на 11 процентов за счет целенаправленной комбинации центрального и кольцевого луча с изменением соответствующей мощности лазера без возникновения эффекта горба.
Всегда сваривайте на 20 процентов ниже предела
Weil Technologie GmbH из Мюльхайма, которая строит масштабируемые установки для производства до 12 миллионов BPP в год, придерживается другого подхода. В своей системе-прототипе машиностроитель работает с «Dual Field Scanner» с двумя лазерами, каждый со скоростью сварки 500 миллиметров в секунду, которые в сочетании с собственной, полностью автоматизированной технологией зажима надежно сваривают биполярные пластины каждую второй. По словам Артура Шелленберга, менеджера по продукции по развитию и инновациям, надежность процесса является главным приоритетом: из-за этого Weil всегда будет оставаться как минимум на 20 процентов ниже возможной максимальной скорости при лазерной сварке.
Лазерная сварка в вакууме является специальностью LaVa-X GmbH из Герцогенрата, которая сваривает лазером BPP толщиной от 50 до 150 микрон из стали и титана, используя процесс при отрицательном давлении 1 миллибар на полностью автоматической системе. По словам Др. Бенджамин Герхардс, руководитель отдела исследований и разработок, что его можно использовать для сварки хромоникелевой стали без окисления и титана без охрупчивания и последующей очистки. Кроме того, можно отказаться от так называемой сварки страхом из-за более высокой надежности процесса. Кроме того, даже BPP с покрытием можно сваривать с помощью этого процесса, который уже доказал свою эффективность в космических проектах, таких как MERLIN.
Производитель специального оборудования Graebener Maschinentechnik GmbH & Co. KG из Нетфен-Вертенбаха имеет около 20 лет опыта в производстве BPP и разрабатывает комплексные, масштабируемые системы для производства нескольких миллионов плат в год. Управляющий директор Фабиан Капп объяснил, почему компания выбрала лазерную резку плавлением из соображений качества при резке гидроформованного титанового BPP толщиной 50 микрометров. По сравнению с лазерами с гидроабразивным управлением или абразивной гидроабразивной резкой преимущества процесса заключаются в более точных кромках, которые создаются с высокой повторяемостью, что является обязательным условием для укладки BPP.
Обсудите всю технологическую цепочку с поставщиками
Чрезвычайно тонкий листовой металл также является специализацией голландского производителя специального оборудования AWL-Techniek BV из Хардервейка, который предлагает полные, масштабируемые системы с производительностью от 750 000 до 10 миллионов BPP в год в модульной конструкции. Технический менеджер AWL Ваут Цвирс назвал чистоту во время лазерной сварки ключом к высокому качеству производства. Для получения плотных и точных швов голландская компания очищает листы перед раскроем. Особый совет: как и многие другие производители, AWL использует оптические камеры для окончательной скоростной проверки швов. Однако Цвирс указал на деталь, которой иногда пренебрегают: оптимальное освещение во время проверки качества.
Andritz Soutec AG из Нефтенбаха (Швейцария) предлагает полную технологическую цепочку вместе с производителем прессов Schuler и Thyssenkrupp Automation Engineering: она рассчитана на годовое производство 50 000 штабелей с производительностью от 15 до 20 миллионов BPP. При сменной работе это возможно только в том случае, если тарелка делается каждую секунду или около того. Швейцарцу достаточно скорости лазерной сварки 500 миллиметров в секунду. Даниэль Венк, вице-президент по бизнесу и развитию, рассказал подробности: «Мы консервативно медленно свариваем листы восемью лазерами со скоростью 30 метров в минуту». Поэтому у Венка было желание для консорциума Фраунгофера и всего сообщества H2 в Аахене:
Приглашение на работу в исследовательский городок DPP
При этом швейцарцы обратились к важному аспекту, который также затронул профессор Арнольд Гиллнер, руководитель отдела исследований рынков в Fraunhofer ILT: «Я еще не знаю, как должен работать контроль герметичности на месте каждую секунду. Есть еще много вопросов, которые мы должны обсудить в следующий раз. Мы можем заняться этими темами здесь, в Аахене, в исследовательском кампусе Digital Photonic Production DPP вместе на наших испытательных площадках, чтобы создать водородную платформу».
Результаты работы над водородным будущим в проекте H2GO и в исследовательском кампусе DPP будут доступны для тех, кто интересуется Аахеном, в январе 2023 года на LSE'23 Laser Symposium по электромобилям, наряду с другими темами, такими как аккумуляторные технологии. Четвертый LKH 2 в сентябре 2023 года снова предложит комплексный подход с точки зрения водородных технологий.
