米国の科学者たちが水に溶ける3Dプリント模具を開発、軽量水素貯蔵タンクの製造に使用

科学者たちは水中で溶解する新型の3Dプリント模具を開発し、それによりライナーなしの軽量水素貯蔵タンクを製造し、他のガスの高圧にも耐えられるようにした。この模具は心模とも呼ばれ、米国エネルギー省（DOE）オークリッジ国立研究所（ORNL）の研究者たちによって設計された。このプロジェクトでは、チームが航空宇宙企業Infinite Composites、積層造形企業JuggerBot 3D、オクラホマ州立大学と緊密に協力した。

プロジェクト責任者のAhmed Arabi Hassen博士によると、この技術は特別にカスタマイズされた水溶性ポリマーを使用して心模を作り、それをV類複合材料圧力容器の製造に用いる。これらの容器は完全に複合材料でできており、永久ライナーを必要としない。さらに、水素、圧縮天然ガス、窒素、ヘリウムを貯蔵でき、航空宇宙、防衛、輸送、エネルギー産業に適用可能だ。

新技術の課題と解決策

軽量ガス貯蔵タンクの生産は比較的困難であり、特に成形用の内部模具の作成と除去においてそうである。エンジニアたちは高価な金属模具や、除去のために分解が必要な複雑な工具に依存している。Hassen氏はV類複合材料圧力容器の重要性とその可能性について語った。同氏は「V類ライナーなし複合材料圧力容器は軽量高圧ガス貯蔵の次のフロンティアを代表するが、その製造は依然として極めて困難であり、特に複雑な内部工具の生産と除去においてそうである」と述べた。

この課題に対処し一時的な心模を作るため、研究者たちは大型積層造形技術、一般に3Dプリントと呼ばれるものに目を向けた。彼らは水に溶ける特別に配合されたポリマーを使用して必要な形状の模具をプリントした。その後、エンジニアたちは心模にカーボンファイバーを巻き付けて容器の外部構造を作った。複合材料が硬化すると、彼らは一時的な模具を水中で溶解させた。その結果、チームは永久ライナーなしの中空カーボンファイバータンクを設計し、容器にガスバリアコーティングを施した。

設計の利点と商業的意義

研究チームは、この技術が内部工具を除去するための複雑な機械システムを必要とせず、模具除去プロセスでの溶剤の必要性も排除し、大型圧力容器の生産を簡素化すると指摘した。Hassen氏は、この方法が高い寸法精度も確保できると説明した。「我々の水溶性3Dプリント心模はこの障壁を克服する重要な一歩を代表し、V類容器の拡張可能で費用対効果の高い生産を可能にする」と同氏は付け加えた。

この設計はタンク全体の重量を軽減し、永久ライナーによる問題も回避する。さらに、3Dプリント模具で従来の金属工具を置き換えることで製造の複雑さを減らし、生産時間を短縮し、コストを下げられる。これは高圧下で動作する軽量ガス貯蔵システムを必要とする産業にとって重要な意味を持つ。「この成果は、先進製造技術と強力な産業パートナーシップがいかにこれらの技術を商業実現に近づけるかを示している」とHassen氏はプレスリリースで総括した。チームは米国エネルギー省の製造実証施設で研究を行い、プロジェクトはDOE重要鉱物・エネルギーイノベーション局の支援を受けた。

新型水素貯蔵タンクの技術的ブレークスルー

この新技術は水に溶ける3Dプリント模具により、軽量ガス貯蔵タンクの製造プロセスを大幅に簡素化した。従来の方法では高価な金属模具が必要で、内部模具の除去プロセスが煩雑だったが、この技術の登場は製造の複雑さを減らすだけでなく、コストと生産時間も削減する。水素などの高圧ガス貯蔵需要の増加に伴い、この技術の商業的潜在力も高まっており、航空宇宙、防衛などの産業にとって重要な意義を持つ。