美国科学家研发可溶于水的 3D 打印模具 用于制造轻量氢气储存罐

科学家们开发了一种新型的 3D 打印模具，该模具可在水中溶解，从而制造出无内衬的轻量级氢气储存罐，并能承受其他气体的高压。这种模具，也被称为心模，是由美国能源部（DOE）奥克里奇国家实验室（ORNL）的一组研究人员设计的。在这个项目中，该团队与航空航天公司 Infinite Composites、增材制造公司 JuggerBot 3D 和俄克拉荷马州立大学通力合作。

项目负责人 Ahmed Arabi Hassen 博士透露，该技术使用一种特别定制的水溶性聚合物来制作心模，然后用于制造 V 类复合材料压力容器。这些容器完全由复合材料制成，并且不需要永久性内衬。此外，它们可以储存氢气、压缩天然气、氮气和氦气，适用于航空航天、国防、运输和能源行业。

新技术的挑战与解决方案

轻量级气体储存罐的生产相对困难，特别是在创建和去除用于塑形的内部模具时。工程师们依赖昂贵的金属模具或需拆解的复杂工具来进行去除。Hassen 讨论了 V 类复合材料压力容器的重要性及其潜力。他表示：“V 类无内衬复合材料压力容器代表了轻量级高压气体储存的下一个前沿，但其制造仍然极具挑战性，尤其是在生产和去除复杂内部工具方面。”

为了应对这一挑战并创建临时心模，研究人员转向大型增材制造技术，通常称为 3D 打印。他们使用了一种可溶于水的专门配方聚合物来打印所需形状的模具。然后，工程师们在心模上缠绕碳纤维，以创建容器的外部结构。一旦复合材料固化，他们便将临时模具在水中溶解。因此，团队设计出了一种无永久内衬的空心碳纤维罐，并对容器应用了气体阻隔涂层。

设计的优势与商业意义

研究团队指出，这项技术不需要复杂的机械系统来去除内部工具，还能消除模具去除过程中对溶剂的需求，简化大型压力容器的生产。Hassen 解释说，这种方法还可以确保高的尺寸精度。“我们的水溶性 3D 打印心模代表了克服这一障碍的重要一步，并使 V 类容器的可扩展、成本效益的生产成为可能。”他补充道。

这一设计还减轻了罐体的整体重量，并避免了由于永久内衬造成的问题。此外，用 3D 打印模具取代传统金属工具可以减少制造复杂性，缩短生产时间，并降低成本。这对于需要在高压下运行的轻量级气体储存系统的行业来说，将具有重要意义。“这一成就展示了先进制造技术和强大的行业合作关系如何帮助将这些技术更接近商业实现。”Hassen 在新闻稿中总结道。该团队在美国能源部的制造示范设施进行了研究，该项目获得了 DOE 关键矿产和能源创新办公室的支持。

新型氢气储存罐的技术突破

这项新技术通过可溶于水的 3D 打印模具，显著简化了轻量级气体储存罐的制造过程。传统方法需要昂贵的金属模具，且去除内部模具的过程繁琐，这项技术的出现不仅减少了制造复杂性，还降低了成本和生产时间。随着氢气等高压气体储存需求的增加，这项技术的商业潜力亦随之上升，对航空航天、国防等行业具有重要意义。