US-Wissenschaftler entwickeln wasserlösliche 3D-Druckformen zur Herstellung leichter Wasserstoffspeichertanks

Wissenschaftler haben eine neue Art von 3D-Druckform entwickelt, die sich in Wasser auflöst und so die Herstellung von leichten, auskleidungsfreien Wasserstoffspeichertanks ermöglicht, die auch hohem Druck anderer Gase standhalten. Diese Form, auch als Kernmodell bezeichnet, wurde von Forschern des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des US-Energieministeriums (DOE) entworfen. Bei diesem Projekt arbeitete das Team eng mit dem Luft- und Raumfahrtunternehmen Infinite Composites, dem additiven Fertigungsunternehmen JuggerBot 3D und der Oklahoma State University zusammen.

Projektleiter Dr. Ahmed Arabi Hassen erklärte, die Technologie verwende ein speziell angepasstes wasserlösliches Polymer zur Herstellung des Kernmodells, das dann für die Fertigung von Typ-V-Verbundwerkstoff-Druckbehältern verwendet wird. Diese Behälter bestehen vollständig aus Verbundwerkstoff und benötigen keine permanente Auskleidung. Zudem können sie Wasserstoff, Erdgas (CNG), Stickstoff und Helium speichern und eignen sich für die Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Transport und Energiebranche.

Herausforderungen und Lösungen der neuen Technologie

Die Produktion leichter Gasspeichertanks ist vergleichsweise schwierig, insbesondere beim Erstellen und Entfernen der internen Formen, die zur Formgebung dienen. Ingenieure verließen sich auf teure Metallformen oder komplexe Werkzeuge, die zur Entfernung zerlegt werden mussten. Hassen erörterte die Bedeutung und das Potenzial von Typ-V-Verbundwerkstoff-Druckbehältern. Er sagte: „Typ-V-auskleidungsfreie Verbundwerkstoff-Druckbehälter stellen die nächste Grenze der leichten Hochdruckgasspeicherung dar, doch ihre Fertigung bleibt äußerst herausfordernd, insbesondere bei der Herstellung und Entfernung komplexer interner Werkzeuge.“

Um dieser Herausforderung zu begegnen und temporäre Kernmodelle zu erstellen, wandten sich die Forscher der großformatigen additiven Fertigung zu, allgemein bekannt als 3D-Druck. Sie verwendeten ein speziell formuliertes, wasserlösliches Polymer, um die benötigten Formen zu drucken. Anschließend wickelten Ingenieure Kohlefasern um das Kernmodell, um die äußere Struktur des Behälters zu schaffen. Sobald der Verbundwerkstoff ausgehärtet war, lösten sie das temporäre Modell in Wasser auf. So entwarf das Team einen hohlen Kohlefasertank ohne permanente Auskleidung und versah den Behälter mit einer gasdichten Beschichtung.

Vorteile des Designs und kommerzielle Bedeutung

Das Forschungsteam weist darauf hin, dass diese Technologie keine komplexen mechanischen Systeme zum Entfernen der internen Werkzeuge erfordert und auch den Bedarf an Lösungsmitteln beim Formenentfernen eliminiert, was die Produktion großer Druckbehälter vereinfacht. Hassen erklärte, dass dieses Verfahren auch eine hohe Maßgenauigkeit gewährleiste. „Unser wasserlöslicher 3D-gedruckter Kern stellt einen wichtigen Schritt zur Überwindung dieses Hindernisses dar und ermöglicht die skalierbare, kosteneffiziente Produktion von Typ-V-Behältern“, fügte er hinzu.

Dieses Design verringert zudem das Gesamtgewicht des Tanks und vermeidet Probleme, die durch eine permanente Auskleidung entstehen. Darüber hinaus kann der Ersatz traditioneller Metallwerkzeuge durch 3D-gedruckte Formen die Fertigungskomplexität reduzieren, die Produktionszeit verkürzen und die Kosten senken. Dies wird für Branchen von Bedeutung sein, die leichte Gasspeichersysteme benötigen, die unter Hochdruck betrieben werden. „Dieser Erfolg zeigt, wie fortschrittliche Fertigungstechnologien und starke Industriepartnerschaften dazu beitragen können, diese Technologien näher an die kommerzielle Umsetzung zu bringen“, fasste Hassen in der Pressemitteilung zusammen. Das Team forschte in der Manufacturing Demonstration Facility des US-Energieministeriums, das Projekt wurde vom DOE Office of Critical Minerals and Energy Innovation unterstützt.

Technologischer Durchbruch bei neuartigen Wasserstoffspeichertanks

Diese neue Technologie vereinfacht durch wasserlösliche 3D-Druckformen den Herstellungsprozess leichter Gasspeichertanks erheblich. Herkömmliche Methoden erfordern teure Metallformen, und der Prozess zur Entfernung der internen Formen ist mühsam; das Aufkommen dieser Technologie reduziert nicht nur die Fertigungskomplexität, sondern senkt auch Kosten und Produktionszeit. Mit der steigenden Nachfrage nach Hochdruckgasspeicherung wie bei Wasserstoff steigt auch das kommerzielle Potenzial dieser Technologie, was für Branchen wie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung von großer Bedeutung ist.