علماء أمريكيون يطورون قوالب طباعة ثلاثية الأبعاد قابلة للذوبان في الماء لتصنيع خزانات تخزين هيدروجين خفيفة الوزن

طور العلماء نوعاً جديداً من قوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن أن يذوب في الماء، مما يمكّن من تصنيع خزانات تخزين هيدروجين خفيفة الوزن بدون بطانة داخلية، وقادرة على تحمل ضغط الغازات الأخرى العالية. صُمم هذا القالب، الذي يُعرف أيضاً باسم "القلب" (mandrel)، من قبل فريق من الباحثين في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE). في هذا المشروع، تعاون الفريق مع شركة الطيران Infinite Composites، وشركة التصنيع الإضافي JuggerBot 3D، وجامعة ولاية أوكلاهوما.

كشف الدكتور أحمد عربي حسن، قائد المشروع، أن التقنية تستخدم بوليمراً قابلاً للذوبان في الماء ومصمماً خصيصاً لصنع القلب، والذي يُستخدم بعد ذلك في تصنيع أوعية ضغط مركبة من الفئة الخامسة (Type V). هذه الأوعية مصنوعة بالكامل من مواد مركبة ولا تتطلب بطانة داخلية دائمة. بالإضافة إلى ذلك، يمكنها تخزين الهيدروجين، والغاز الطبيعي المضغوط، والنيتروجين، والهيليوم، وتصلح لصناعات الطيران والدفاع والنقل والطاقة.

تحديات التقنية الجديدة وحلولها

إنتاج خزانات تخزين الغاز خفيفة الوزن صعب نسبياً، خاصة عند إنشاء وإزالة القوالب الداخلية المستخدمة للتشكيل. يعتمد المهندسون على قوالب معدنية باهظة الثمن أو أدوات معقدة تحتاج إلى تفكيك لإزالتها. ناقش حسن أهمية أوعية الضغط المركبة من الفئة الخامسة وإمكاناتها. وقال: "تمثل أوعية الضغط المركبة من الفئة الخامسة بدون بطانة داخلية الحدود التالية لتخزين الغاز عالي الضغط خفيف الوزن، لكن تصنيعها لا يزال يمثل تحدياً كبيراً، خاصة في إنتاج وإزالة الأدوات الداخلية المعقدة."

لمواجهة هذا التحدي وإنشاء قلب مؤقت، لجأ الباحثون إلى تقنية التصنيع الإضافي واسعة النطاق، المعروفة عادةً بالطباعة ثلاثية الأبعاد. استخدموا بوليمراً بتركيبة متخصصة قابلة للذوبان في الماء لطباعة القالب بالشكل المطلوب. ثم قام المهندسون بلف ألياف الكربون على القلب لإنشاء الهيكل الخارجي للوعاء. بمجرد معالجة المادة المركبة، قاموا بإذابة القالب المؤقت في الماء. وبالتالي، صمم الفريق خزاناً من ألياف الكربون مجوفاً بدون بطانة داخلية دائمة، وطُبق طلاء حاجز للغاز على الوعاء.

مزايا التصميم وأهميته التجارية

أشار فريق البحث إلى أن هذه التقنية لا تتطلب أنظمة ميكانيكية معقدة لإزالة الأدوات الداخلية، كما تلغي الحاجة إلى المذيبات أثناء عملية إزالة القالب، مما يبسط إنتاج أوعية الضغط كبيرة الحجم. أوضح حسن أن هذه الطريقة تضمن أيضاً دقة أبعاد عالية. وقال: "يمثل قلب الطباعة ثلاثية الأبعاد القابل للذوبان في الماء خطوة مهمة للتغلب على هذا العائق، ويجعل إنتاج أوعية الفئة الخامسة القابلة للتوسع وفعالة من حيث التكلفة ممكناً." وأضاف.

يقلل هذا التصميم أيضاً من الوزن الإجمالي للخزان، ويتجنب المشكلات الناجمة عن البطانة الداخلية الدائمة. بالإضافة إلى ذلك، فإن استبدال الأدوات المعدنية التقليدية بقوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن يقلل تعقيد التصنيع، ويقلص وقت الإنتاج، ويخفض التكاليف. وهذا سيكون له أهمية كبيرة للصناعات التي تتطلب أنظمة تخزين غاز خفيفة الوزن تعمل تحت ضغط عالٍ. وخلص حسن في بيان صحفي قائلاً: "يُظهر هذا الإنجاز كيف يمكن لتقنيات التصنيع المتقدمة والشراكات القوية في الصناعة أن تساعد في جعل هذه التقنيات أقرب إلى التحقق التجاري." أجرى الفريق البحث في منشأة التصنيع التوضيحية التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية، وحصل المشروع على دعم من مكتب المعادن الحرجة وابتكارات الطاقة التابع للوزارة.

اختراق تقني في خزانات تخزين الهيدروجين الجديدة

تُبسط هذه التقنية الجديدة بشكل كبير عملية تصنيع خزانات تخزين الغاز خفيفة الوزن من خلال قوالب الطباعة ثلاثية الأبعاد القابلة للذوبان في الماء. كانت الطرق التقليدية تتطلب قوالب معدنية باهظة الثمن، وكانت عملية إزالة القوالب الداخلية شاقة، وقد قلل ظهور هذه التقنية ليس فقط من تعقيد التصنيع، بل خفضت أيضاً التكاليف ووقت الإنتاج. مع تزايد الطلب على تخزين الغازات عالية الضغط مثل الهيدروجين، تزداد الإمكانات التجارية لهذه التقنية، ولها أهمية كبيرة لصناعات مثل الطيران والدفاع.