謝菲爾德大學采用WAAM技術(shù)生產(chǎn)航空航天用儲氫罐

2023年10月26日，南極熊獲悉，來自謝菲爾德大學AMRC西北分校的增材制造專家正在探索一種創(chuàng)新技術(shù)，為航空航天應(yīng)用生產(chǎn)儲氫罐。AMRC增材制造負責人Evren Yasa博士領(lǐng)導了一個研究小組，專注于線弧增材制造（WAAM）的項目。

WAAM技術(shù)應(yīng)用到多個工業(yè)領(lǐng)域，包括能源，國防，汽車，建筑和航空航天，以生產(chǎn)大型和復雜的結(jié)構(gòu)部件，減少對組裝和連接技術(shù)的需求以及廢料。WAAM已被部署用于航空航天領(lǐng)域的維修和再制造目的，從而節(jié)省時間和成本。除此之外，它還具有更大的供應(yīng)鏈靈活性的優(yōu)勢，便于實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

△掃描 WAAM制造箱體以檢測缺陷。資料來源：AMRC。

Evren Yasa說：“該項目的啟動是為了利用我們內(nèi)部的WAAM能力，使用鋁合金建造一個用于航空航天領(lǐng)域的液氫儲罐模型，并展示生產(chǎn)成品增材制造零件的完整價值鏈。”

氫是一種高度可持續(xù)的能源載體，被認為是到2050年實現(xiàn)歐盟碳中和的關(guān)鍵。然而，圍繞如何儲存氫氣的挑戰(zhàn)限制了其全部潛力。Evren表示：“儲存氫氣以用作航空航天燃料源的主要挑戰(zhàn)是額外的存儲要求，以及整體罐所需的復雜幾何形狀以及低溫液態(tài)儲存狀態(tài)下如何進行操作。這些挑戰(zhàn)使增材制造技術(shù)成為滿足儲氫罐需求的有前途的制造路線之一，這也得到了英國航空航天技術(shù)研究所于 2022 年發(fā)布的低溫氫燃料系統(tǒng)和存儲路線圖報告的支持�！�

目前，鈑金成型、機加工和焊接都可以用于金屬罐生產(chǎn)。然而，這些傳統(tǒng)技術(shù)不能提供制作新形狀的設(shè)計自由度。WAAM提供了這種設(shè)計自由度，與標準的圓柱形/球形相比，AMRC團隊為制造一系列更復雜的容器形狀提供了新的可能性，特別是在航空航天領(lǐng)域，有可能實現(xiàn)在更緊湊的區(qū)域儲存氫氣。

Yasa博士的團隊希望通過確定工藝參數(shù)以及沉積策略來探索將WAAM用于金屬儲罐的可行性，以獲得良好的機械性能。此外，本項目的目的是研究和抵消由于WAAM過程中的高熱輸入而導致的殘余應(yīng)力。

謝菲爾德大學 AMRC 西北分校增材制造團隊的技術(shù)負責人 Muhammad Shamir 博士解釋了如何在 WAAM 中使用不同類型的熱源，例如電弧或等離子弧來熔化焊絲原料。Shamir博士說：“在我們的研究中，我們專注于使用特殊技術(shù)的電弧工藝，以最大限度地減少熱量輸入。這種材料也很難加工，因為鋁合金容易吸收氧氣和氫氣。如果材料在環(huán)境空氣中放置太久，它就會開始吸收水分，導致加工過程中孔隙率過高，從而降低機械性能。”

項目期間出現(xiàn)的其他挑戰(zhàn)包括狹窄的工藝窗口，合適的工藝參數(shù)范圍有限，以及復雜幾何形狀的五軸編程。然而，總體而言，Yasa 博士表示，這項研究工作是有益的，因為它使團隊能夠探索 WAAM 加工鋁合金的這些挑戰(zhàn)。

這個為期 7 個月的項目由高價值制造(HVM) 聯(lián)盟資助，AMRC 和其他六個國家研究中心都是該聯(lián)盟的成員。Yasa 博士和她的團隊現(xiàn)在希望將研究推進到第二階段，并正在等待進一步資助的結(jié)果，以探索增材制造對低溫機械性能以及氫滲透性的影響，以確保其是可行的。液態(tài)氫應(yīng)用的途徑。

Evren Yasa 博士說：“我們已申請資金來開展更多工藝優(yōu)化工作，并有機會與南安普頓大學合作在低溫下測試 WAAM 材料。此外，航空航天儲氫罐的增材制造工程依然存在許多挑戰(zhàn)，包括監(jiān)管審批、標準化、成本和行業(yè)接受度。我們未來的項目將側(cè)重于通過與行業(yè)利益相關(guān)者合作來克服這些挑戰(zhàn)，確保符合標準和法規(guī)，建立增材制造指導方針，進行成本效益分析，并通過與航空航天業(yè)的接觸和知識共享來加快項目進程。我們最終的目標是展示該解決方案的經(jīng)濟可行性和競爭力�！�