Lasere kunne tage 3D-print til næste niveau

Biler, der går mere end 1, 000 miles på en enkelt opfyldning og smartphones, der kan køre i dagevis uden genopladning, er blandt de muligheder, der kunne komme ud af et nyt Clemson University-forskningsprojekt, der samler 3-D-print og laserbehandling.

Jianhua "Joshua" Tong og hans team arbejder på en ny 3-D-printteknik, der involverer hurtig laserbehandling for at skabe "protoniske keramiske elektrolysatorstabler", der omdanner elektricitet til brint som en måde at lagre energi på.

Elektrolysatorerne kan have flere anvendelsesmuligheder, herunder som brændstofkilde i biler eller til at lagre energi genereret fra sol- og vindkraft.

Den nye laser 3-D-printteknik vil reducere omkostningerne og tiden ved fremstilling af meget komprimerede elektrolysatorer, sagde Tong. Derved, det kunne ikke kun halvere omkostningerne ved brintproduktion, men også reducere enhedens størrelse en størrelsesorden, han sagde.

Tong, en lektor i materialevidenskab og teknik, leder forskningen med $1,6 millioner fra det amerikanske energiministeriums kontor for energieffektivitet og vedvarende energi.

"Vores succes vil betyde, at vi kan levere bæredygtige, ren energi, " sagde Tong. "Det er den fantastiske del. Vi tager 3D-print til næste niveau."

Hvis forskerne lykkes med elektrolysatorerne, den samme teknik kunne anvendes til 3-D-printning af andre typer keramiske produkter, inklusive batterier og solceller, sagde Tong. Teknikken kunne bl. for eksempel, føre til batterier med høj tæthed, der gør det muligt for smartphones at opretholde en opladning i flere dage ad gangen, han sagde.

Tongs projekt er det seneste i en voksende mængde forskning, der sigter mod at bruge 3-D-print til at ændre, hvordan produkter fremstilles. Ved 3D-print, produkter er designet på en computer og derefter udskrevet et lag ad gangen, lagene stables oven på hinanden for at skabe produktet.

De 3D-printere i mikrobølgestørrelse, der ofte findes i gymnasieklasser, udskriver med plastik. En af de store udfordringer i avanceret fremstilling er at finde ud af, hvordan man omkostningseffektivt kan printe med andre typer materialer.

For Tong, fokus er på keramik.

Når det er lavet konventionelt, keramik skal sintres i en ovn ved høje temperaturer, ofte i flere timer. Forskellige typer keramik skal sintres ved forskellige temperaturer.

En elektrolysator kræver fire forskellige typer keramik, gør sintringen til en udfordring.

I Tongs projekt, en 3-D printer lægger et lag keramik ned, og en laser sinter det på samme tid, eliminerer behovet for ovnen.

Teknikken ville give brugeren mulighed for at 3D-printe en elektrolysator lavet af fire forskellige typer keramik uden brug af en ovn. Det ville svare til at lave en kage med mange lag og have en forskellig smag for hvert lag.

Teknikken kunne åbne 3D-print for nye produkter og alle de fordele, der følger med. For eksempel, et design til en bils brændselscellestak kunne e-mailes til en fabrik tusindvis af kilometer væk, og det kunne udskrives inden for timer i stedet for at vente i dage på levering, sagde Tong.

Projektet samler fire fakultetsmedlemmer i Clemsons afdeling for materialevidenskab og teknik. Tong fungerer som den primære efterforsker på projektet, mens Hai Xiao, Kyle Brinkman og Fei Peng er co-principal investigators.

Rajendra Bordia, formand for afdelingen, sagde forskningen øger Clemsons indsats for at hjælpe med at skabe mere bæredygtige måder at konvertere energi på.

"Afdelingen for Materialevidenskab og Teknik er unikt positioneret til at spille en førende rolle i at bruge elektrolyse til at skabe energi til transport fra vedvarende kilder, " sagde han. "Teamet, der arbejder på dette projekt, repræsenterer ekspertise i verdensklasse på relevante områder, herunder keramiske materialer og enheder til energiomdannelse, laserbehandling, additiv fremstilling og keramisk forarbejdning."

Anand Gramopadhye, dekan for Ingeniørhøjskolen, Computing og anvendt videnskab, sagde, at projektet bygger på Clemsons ekspertise inden for avanceret fremstillingsforskning.

"Prisens størrelse er et vidnesbyrd om de innovative ideer og toptalent, der går ind i forskningen, " sagde Gramopadhye. "Jeg lykønsker Dr. Tong og hans team med bevillingen."