美國科學家研發可溶於水的 3D 列印模具 用於製造輕量氫氣儲存罐

科學家們開發了一種新型的 3D 列印模具，該模具可在水中溶解，從而製造出無內襯的輕量級氫氣儲存罐，並能承受其他氣體的高壓。這種模具，也被稱為心模，是由美國能源部（DOE）奧克里奇國家實驗室（ORNL）的一組研究人員設計的。在這個項目中，該團隊與航空航天公司 Infinite Composites、增材製造公司 JuggerBot 3D 和俄克拉荷馬州立大學通力合作。

項目負責人 Ahmed Arabi Hassen 博士透露，該技術使用一種特別定製的水溶性聚合物來製作心模，然後用於製造 V 類複合材料壓力容器。這些容器完全由複合材料製成，並且不需要永久性內襯。此外，它們可以儲存氫氣、壓縮天然氣、氮氣和氦氣，適用於航空航天、國防、運輸和能源行業。

新技術的挑戰與解決方案

輕量級氣體儲存罐的生產相對困難，特別是在創建和去除用於塑形的內部模具時。工程師們依賴昂貴的金屬模具或需拆解的複雜工具來進行去除。Hassen 討論了 V 類複合材料壓力容器的重要性及其潛力。他表示：「V 類無內襯複合材料壓力容器代表了輕量級高壓氣體儲存的下一個前沿，但其製造仍然極具挑戰性，尤其是在生產和去除複雜內部工具方面。」

為了應對這一挑戰並創建臨時心模，研究人員轉向大型增材製造技術，通常稱為 3D 列印。他們使用了一種可溶於水的專門配方聚合物來打印所需形狀的模具。然後，工程師們在心模上纏繞碳纖維，以創建容器的外部結構。一旦複合材料固化，他們便將臨時模具在水中溶解。因此，團隊設計出了一種無永久內襯的空心碳纖維罐，並對容器應用了氣體阻隔塗層。

設計的優勢與商業意義

研究團隊指出，這項技術不需要複雜的機械繫統來去除內部工具，還能消除模具去除過程中對溶劑的需求，簡化大型壓力容器的生產。Hassen 解釋說，這種方法還可以確保高的尺寸精度。「我們的水溶性 3D 列印心模代表了克服這一障礙的重要一步，並使 V 類容器的可擴展、成本效益的生產成為可能。」他補充道。

這一設計還減輕了罐體的整體重量，並避免了由於永久內襯造成的問題。此外，用 3D 列印模具取代傳統金屬工具可以減少製造複雜性，縮短生產時間，並降低成本。這對於需要在高壓下運行的輕量級氣體儲存系統的行業來說，將具有重要意義。「這一成就展示了先進製造技術和強大的行業夥伴關係如何幫助將這些技術更接近商業實現。」Hassen 在新聞稿中總結道。該團隊在美國能源部的製造示範設施進行了研究，該項目獲得了 DOE 關鍵礦產和能源創新辦公室的支持。

新型氫氣儲存罐的技術突破

這項新技術透過可溶於水的 3D 列印模具，顯著簡化了輕量級氣體儲存罐的製造過程。傳統方法需要昂貴的金屬模具，且去除內部模具的過程繁瑣，這項技術的出現不僅減少了製造複雜性，還降低了成本和生產時間。隨著氫氣等高壓氣體儲存需求的增加，這項技術的商業潛力亦隨之上升，對航空航天、國防等行業具有重要意義。