高压大容量Ⅳ型储氢瓶内胆滚塑成型工艺及装备

王修磊，杨卫民，谢鹏程,4

(1．北京化工大学 机电工程学院，北京 100029；
2.合肥通用机械研究院有限公司,合肥 230031；
3．北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室,北京 100029；
4.北京化工大学 人工智能交叉学科研究中心,北京 100029)

Ⅳ型高压储氢瓶因储氢密度高、抗疲劳及耐久性能好、成型成本低等优势，成为目前国内外高压气态储氢的重要容器之一[1-4]。Ⅳ型储氢瓶由塑料内胆、碳纤维复合材料全缠绕层和保护层组成。其中，塑料内胆是Ⅳ型储氢瓶区别于Ⅲ型储氢瓶的重要组成部分，其承担了储存氢气、防止泄漏的重要作用，并用于提高储氢瓶轻量化效果和抗疲劳性能[5]。此外，塑料内胆也为碳纤维复合材料层提供一个尺寸稳定、可靠的缠绕基板，以充分发挥碳纤维的承压作用[6]。壁厚稳定的内胆还可以避免快速充放氢过程中引发新的失效模式[7]。

滚塑作为塑料内胆的一体化成型技术[8-9]，相比于注塑焊接成型、吹塑成型等另两种常用成型技术，具有无焊缝、瓶口凸台(BOSS)连接可靠、耐冲击、无应力的优势；
此外，在大容量塑料内胆成型过程中还具有较高的经济优势[10]。目前，美国Quantum、法国CEA，以及中国天海工业、奥扬科技、中集安瑞科等公司和一些研究机构均已使用滚塑技术制备含小型铝合金嵌件的车载储氢瓶塑料内胆[5,9,11-12]。

现有滚塑加工温控技术是通过火烧或高温气体加热模具表面、风冷或水雾冷却模具，虽然该温控技术可以使含小型嵌件及模具壁厚均匀的模内表面温度分布均匀[13-15]，但对于嵌件结构大而复杂、整体长径比大的制品，通常嵌件以及模具壁厚不一致会导致物料附着面温度分布不均等问题[16]，最终影响滚塑成型制品壁厚均匀性、壁厚可控性和外尺寸稳定性[17]，且存在能耗大的技术局限。此外，在空间利用率方面，现有的内胆成型通常采用双轴旋转运动方式，通过驱动模具主轴360°旋转使原料(粉料)涂布在模具内表面。车载塑料内胆因为体积小，多轴旋转的运动方式比较适用。而针对大长径比、体积大的制品成型，空间利用率显著降低。

管束集装箱用的Ⅳ型储氢瓶塑料内胆具有径向尺寸大、长径比大、壁厚薄等显著特征，尤其是大尺寸BOSS零件结构的复杂性也进一步增加了滚塑成型的难度[16,18-19]。为提高管束储氢内胆尺寸稳定性，解决大容量储氢瓶传统滚塑成型设备存在的分区控温难度大、装备整体能耗高、空间占用大等问题[20]，本文创新采用模具分区原位控温技术的摇摆式滚塑成型装备[21]，实现模具局部加热冷却的精确控制，探索并验证其应用于大容量、大长径比塑料内胆的可行性。

1.1 材料

采用的材料为线性低密度聚乙烯6329U(熔融指数：3.2 g/10 min，190 ℃/2.16 kg；
密度为0.939 g/cm3；
维卡软化点118 ℃；
熔点135 ℃；
弯曲模量750 MPa)，使用时为粉状，140～565 μm的颗粒体积占比为78.93%；
200～285 μm的颗粒体积占比为29.15%。凸台(BOSS)零件采用6061铝材制造。

1.2 滚塑装备及工艺

内胆样本含封头凸台(BOSS)的总设计长度为5 550 mm，外直径为676 mm，设计壁厚为8～10 mm，设计单瓶水容量≥1 750 L。图1示出内胆的基本结构。

图1 内胆结构原型

样本成型装备采用摇摆主轴的运动方式提高空间利用率和降低设备重心，即驱动内胆模具主轴围绕模具中心位置正反向摇摆同样的角度使粉料沿着主轴方向往复运动，同时驱动模具围绕内胆主轴360°旋转使粉料以主轴为中心在模具内环向运动，最终促使物料流过模具内壁各个位置。设备摇摆速度为0.2 r/min，旋转速度为6 r/min，摇摆角度为±25°，左侧极限位置停顿15 s，右侧极限位置停顿20 s。滚塑模具设计为分段式模具且沿轴线方向中心对称，电阻丝环向嵌入模具和固定BOSS结构的铜环中。封头及每段筒体上均布置温度传感器，温度通过温控系统采用PID控制方法控制与监测。试验车间采用压缩空气(0.7～0.9 MPa)置换内胆中的热空气，加速冷热空气循环辅助冷却BOSS及内胆，过程中不在内胆中建压。Tuodapu TP206K炉温测试仪用于测试和实时监测模腔温度。模内温度传感器通过瓶口插装结构安装于模腔中心，用于检测模内空气温度。图2示出试验设备示意图。

塑料内胆的基本成型工艺包括投料、加热旋转/摇摆、充气冷却、卸载铜环、充气冷却、卸载充气、脱模。表1列出原位控温技术加热工艺参数设定情况。其中，工艺A为同时快速加热和冷却模具所有结构及部位，投料量为89 kg；
工艺B为同时快速加热模具，冷却时停止加热，通过控制风冷先冷却BOSS、再冷却封头，当封头温度降至120 ℃后卸载铜环以释放内胆轴向约束，再继续冷却筒体，投料量为93 kg；
工艺C为分别加热BOSS结构、封头、筒体，冷却时停止加热，通过控制风冷先冷却BOSS、再冷却封头，当封头温度降至120 ℃后卸载铜环以释放内胆轴向约束，再继续冷却筒体，投料量为96 kg。

图2 摇摆式滚塑设备示意

表1 内胆成型温度

1.3 尺寸稳定性和成型质量评价

模内冷却定型后置于圆度保持架上充分冷却6 h，使用GWF-1015-1软尺(精度为1 mm)测量筒体长度及外周长。每段筒体测量3处外周长后取平均值，并用于计算筒体外径。

壁厚检测使用戴纳DN2600超声波测厚仪(精度为0.1 mm)，在每段筒体环向平均分布的4个位置进行测试，并沿中心位置选取3个平行点的测试平均值。使用游标卡尺验证解剖后的壁厚测试精度，误差±0.2 mm内为有效数据。同时解剖封头塑料与金属连接位置，观察成型质量。

原料粒度测试采用Malvern Mastersizer 2000激光粒度仪，分散液为纯水，使用超声波分散粉料。物料粒度测量3次后取平均值。

由DELIXI DLX-XDK水平激光仪与游标卡尺组成挠度检测仪，用于检测塑料内胆的简支挠度。测量前使用水平仪定位并简支塑料内胆，支点位于BOSS结构瓶口处。测试时通过移动游标卡尺，保留每个测试圆周处最小测试值。选取简支完成后的检测挠度及48 h后的内胆挠度。

2.1 模内温度

图3示出模内温度测试曲线。可以看出，工艺B的模内温度升至物料熔点的时间约为600 s，工艺C1模内温度升至物料熔点的时间为720 s。设备检测空烧与工艺B试验过程中，模具外壁面达到物料熔点时间为350～400 s，此时物料即可在模具壁面上熔覆。受模内温度传感器安装/脱离[22]的影响，工艺C3的温度曲线与工艺C1对比，0～600 s时升温明显缓慢，前期筒体恒温时测得的模内温度保持于50 ℃，3 400 s拆除模温传感器时检测温度骤变，但不影响研究整体温升趋势。此外，分段加热的方式明显延长了加热时间，但前期筒体的预热也促进模内温升趋于稳态。温度曲线均反映出前期加热会出现锯齿状变化，这与塑料的熔融特性密切相关。粉料在模具内表面上成型会经历挂壁和熔融两个过程，粘附在模具上的物料会因为温度满足融化要求后迅速吸收模内热量融化，导致模内温度降低。当物料基本处于熔融态后，模内检测温度即可稳定升高。

图3 模内温度测试曲线

图4 BOSS结构温度测试曲线

为明确BOSS结构在加热过程中的温度变化，测试了工艺C2加工时BOSS结构表面温度的变化情况。如图4所示，前期加热600 s后才可使BOSS结构表面温度升高至材料熔点135 ℃，此时，BOSS结构表面可稳定熔覆物料。

2.2 外观质量

滚塑成型是一种无压成型方式，滚塑制品在冷却过程中主要依靠塑料自由收缩定型。图5(a)(b)示出了工艺A和工艺B成型的塑料内胆封头外形结构。

(a)工艺A封头

工艺A制造的内胆封头轴向中间位置处明显凹陷，封头呈“葫芦”状。其成因是塑料由熔体转变为固体的收缩率远大于金属发生热变形的变形率，且同时冷却时BOSS受轴向约束，在塑料径向收缩与轴向收缩的共同作用下，封头贴近BOSS的壁厚薄弱位置处发生拉伸和收缩变形，从而影响储氢瓶内胆结构稳定性。针对该问题，可靠的解决方法是先冷却封头，提高封头位置处的强度，然后再松开嵌件固定，使其可以在筒体冷却收缩时带动嵌件轴向运动，以此减小内胆的轴向变形。依据塑料的PVT(压力-体积-温度)特性，塑料收缩最大的温度区间一般处于熔点与结晶温度之间，可以通过原位控温工艺，控制冷却过程中模具的局部温度，以实现更优的内胆成型质量。

此外，如图5(c)所示，工艺A的封头塑料与金属BOSS接触位置有明显因BOSS与内胆发生相对旋转而产生的扭转纹路，扭转纹的旋向与模具旋转方向一致。其原因是， BOSS储能大，且相对冷却速率低，导致筒体及部分封头冷却收缩并脱离模具后，与BOSS接触的物料仍处于粘流态，此时需要通过旋转BOSS带动内胆整体旋转，内胆出现旋转迟滞，最终产生相对旋转位移。单纯的封头与嵌件同时冷却，松开嵌件轴向限制后，既会由于嵌件储能大而未及时冷却导致嵌件位置的物料被拉伸变形，又会因为脱开嵌件的扭转操作及旋转迟滞导致内胆-嵌件发生相对旋转位移。因此，应采用工艺B的冷却方式，先冷却嵌件、再冷却封头，使嵌件内表面的物料与封头上的物料可以同步冷却，然后再使其可以自由轴向运动，冷却筒体。

研究了BOSS位置处塑料与金属结合情况，BOSS边缘位置明显未被物料填满，产生较大的空腔缺陷。图6[16]为空腔产生的原理示意图。

图6 BOSS结构边缘塑料填充缺陷成因示意

物料在模具中主要以跌落和滑移两种方式在模具内表面上运动[8,16,23-24]，以此来吸收模具内表面上的热量，并经过挂壁、熔融两个过程最终形成熔体熔覆在模具内壁上。物料会倾向于先附着在温度较高的位置，当模具和BOSS结构同时快速升温，模具表面相较BOSS表面会提前200 s达到物料熔融温度，而与嵌件接触的位置，模具内表面的温度会通过热传导的方式传递给嵌件，模具封头内表面从筒体到嵌件的轴向方向上出现高温到低温的温度梯度，且与嵌件接触的地方温度会明显降低。因此，以滑动为主的轴向物料流动方式以及以滑动和跌落共存的环向物料流动方式会导致物料首先在嵌件凹槽的边缘处附着物料，并逐渐熔融累积成与温度趋势相关的熔体墙，阻碍粉料继续进入槽底，进而在嵌件面的槽底形成空腔。工艺C通过高温加热BOSS和低温加热封头的方法，缩小了凹槽周边的温度差，使物料得以均匀附着并填充完整凹槽。

2.3 尺寸稳定性

研究了3种工艺条件对塑料内胆外尺寸稳定性的影响，图7示出了塑料内胆在不同工艺参数控制下筒体直径与长度的变化情况。

(a)筒体长度

研究表明，塑料内胆筒体的长度稳定性较高，筒体总长度与设计长度偏差最大的为工艺B，增大了2.7‰，满足设计要求。依据T/CATSI 02 007—2020《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》[25]及ISO 11515[26]的要求，筒体外直径平均值和公称外直径的偏差应不超过公称外直径的1%，即外直径应保持在669.24～682.76 mm范围内。工艺A的最大直径为682.8 mm，偏差为+1.006%，不满足设计要求。工艺B与工艺C成型筒体直径稳定，最大偏差位置为工艺B的T1位置，其直径为679.3 mm，偏差为+0.49%，满足设计要求。因此，可通过采用原位控温的工艺制造出满足外尺寸要求的内胆。

2.4 壁厚均匀性

作为一种无压成型制品，滚塑内胆壁厚均匀性控制是重要研究对象。依据储氢瓶内胆设计标准T/CATSI 02 007—2020，制造壁厚应大于最小设计壁厚。文中A1和B1位置处设计壁厚为5 mm，其他位置的设计壁厚为8 mm；
滚塑制品可通过增加投料量增大制造壁厚。如图8所示，为保障最小设计壁厚，工艺A、工艺B和工艺C逐次依据前期试验数据增加投料量。然而，A2和B2位置处的壁厚仍未满足设计要求。为兼顾储氢瓶单瓶水容积和储氢密度，不能再无限制地增加投料量以增加壁厚，只能通过壁厚均匀性调节以弥补内胆局部壁厚不足的问题。

图8(a)示出3种工艺成型的塑料内胆轴向壁厚变化情况，图8(b)示出工艺优化过程中BOSS内表面与封头圆弧中间部分的物料附着厚度变化情况。图中反映出制品的轴向壁厚受加热时间的影响较大，通过原位控温并优化加热时间可明显改善制品壁厚均匀性，并可以成型出满足设计要求的内胆。此外，轴向壁厚分布曲线均表现出中间筒体的壁厚分布较厚且较为均匀，而筒体两端的厚度因为封头厚度的增加有大幅降低的趋势。推测其成因是在筒体沉积熔覆过程中物料主要聚集于筒体中段，而筒体两端在冷却过程中因封头与筒体收缩导致被动拉伸减薄，其具体成因还需进一步深入研究滚塑速度、摇摆角度以及原位控温工艺等对制品质量的影响。此外，图8显示出提前加热对增加封头和BOSS内表面塑料壁厚的重要优势，相比于增加投料的壁厚增加量，提前加热使壁厚增大208.2%。提前加热的重要性在于可使物料提前熔覆在BOSS和封头表面，使得其可在熔体较厚的基础上与筒体同时熔覆物料。对比工艺C2和工艺C3，提高筒体的预热温度提升了轴向壁厚均匀性，且有助于增加BOSS内表面塑料厚度(最大增加19.7%)，而对封头的厚度改善效果较小(最大仅增加4.6%)。

(a)内胆整体壁厚均匀性

图9示出工艺B和工艺C成型的塑料内胆周向-轴向壁厚变化情况，其中标记测试位置(上、左、下、右)通过安装充气冷却与卸载铜环时模具停止旋转的位置确定。可以看出，在满足设计要求的前提下，原位控温工艺参数对内胆周向-轴向壁厚分布影响明显。通过温度精确调控，有望继续提升塑料内胆周向-轴向壁厚分布的一致性。图9的曲线反映出内胆周向壁厚分布时，由上至下逐渐增厚，该趋势与模具停止旋转位置具有较大的关联性，而与原位控温技术并无明显相关。因此，针对本套试验设备，如何实现内胆具有较高的环向壁厚均匀性，应基于原位控温技术基础，深入研究物料在冷却停机时的流动演变规律[16,27]，设计优化BOSS和充气冷却快速拆装结构以减少模具停顿时间。

2.5 内胆简支挠度

图10示出内胆简支时轴向各点相对地面所处高度的变化曲线。

(a)

图10 内胆简支挠度变化曲线

碳纤维缠绕时要求塑料内胆的挠度应≤1.5‰的筒体长度，即变形量应小于8.325 mm。同时，考虑内胆在碳纤维缠绕过程中两端长时间静止简支的需求，检测了简支48 h后塑料内胆的挠度。简支完成后立即检测塑料内胆的挠度为6 mm(见图10)，满足碳纤维缠绕要求；
简支48 h后，挠度增大为13 mm，不符合缠绕要求。因此,大容量滚塑成型装备可制造出满足缠绕要求的内胆，而针对长时间简支缠绕的需求，可通过继续优化原位控温参数以使内胆具有长时稳定的特性。此外，还需探寻其他手段，例如滚塑模内增强(加强筋)、充压缠绕或多点支撑，以达到目标缠绕要求。

研究了以1 750 L储氢瓶塑料内胆为代表，具有容量大、壁薄、长径比大、内嵌件体积大和结构复杂等结构特征的制品一体化滚塑成型方法，解决了外观质量、周向-轴向壁厚均匀性控制技术难题，揭示了原位控温工艺对内胆外观质量、壁厚均匀性、直径和长度稳定性的影响规律，开发了空间利用率高、生产节能的摇摆式滚塑成型装备，并成功利用原位控温技术制备了单瓶水容积1 750 L 的内胆。

(1)通过精确的温度调控，原位控温技术解决了含异形金属BOSS嵌件的封头冷却变形、结构件充填不满的问题，内胆外直径变化量可控制在0.49%以内；
此外，研究表明，开发的滚塑成型装备可制备长度尺寸满足要求的内胆。

(2)塑料内胆的轴向壁厚均匀性受局部加热时间和加热温度的影响较大，提前加热(增加加热时间)相比于增加投料量，可使BOSS内表面塑料厚度增加208.2%；
满足壁厚要求前提下，通过调整原位控温工艺参数，即可使塑料内胆周向-轴向壁厚最大差值由3.8 mm降低至2.8 mm，进一步优化将取得更加显著成效；
内胆周向壁厚均匀性受冷却过程中本设备停机拆装模内充气和固定铜环的时间影响较大，可通过对设备改装设计快拆/装结构优化周向壁厚均匀性。

(3)开发的大容量滚塑成型装备制造的塑料内胆满足碳纤维缠绕挠度需求。

作为一种针对具有明显特征产品开发的原位控温技术，在材料的粒度、热导率、模具转速等多因素影响下，其加热温度、加热速率、加热时间等参数对物料流态、产品尺寸稳定性的控制关系仍需要进一步研究。

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