工学科学: レーザーは 3D プリントを次のレベルに引き上げることができるか?

1回の充電で1,000マイル以上走行できる自動車や、再充電せずに数日間稼働できるスマートフォンは、3Dプリントとレーザー加工を組み合わせたクレムソン大学の新しい研究プロジェクトから生まれるかもしれない。ジャンフア・「ジョシュア」・トン氏と彼のチームは、急速レーザー処理による「プロトンセラミック電解スタック」の作成を伴う新しい 3D 印刷技術に取り組んでおり、これにより電気を水素に変換してエネルギーを貯蔵する方法が確立されました。

電解装置は、自動車の燃料源として、あるいは太陽光や風力で発電されたエネルギーを貯蔵するなど、さまざまな用途に使用できます。トン氏は、新しいレーザー3Dプリント技術により、高電圧電解装置の製造コストと時間が削減されると述べた。そうすれば、水素製造コストが半分になるだけでなく、装置のサイズも一桁小さくなるだろうと彼は語った。

材料科学および工学の准教授であるトン氏は、米国エネルギー省のエネルギー効率および再生可能エネルギー局から160万ドルの資金提供を受けて研究を行っている。「我々の成功は、持続可能でクリーンなエネルギーを提供できることを意味する」とトン氏は語った。「そこがすごいところです。私たちは 3D プリントを次のレベルに引き上げています。」

研究者らが電解装置の使用に成功すれば、同じ技術を使って電池や太陽電池など他の種類のセラミック製品を3Dプリントできる可能性がある。例えば、この技術は、スマートフォンが一度に数日間充電を保持できるようにする高密度バッテリーにつながる可能性があると彼は述べた。

トン氏のプロジェクトは、3D プリントを使用して製品の製造方法を変えることを目指す、増加中の研究の一環である。 3D プリントでは、製品はコンピューター上で設計され、層ごとに印刷され、層が積み重ねられて製品が形成されます。

高校の教室でよく見られる電子レンジ対応の 3D プリンターはプラスチックで印刷します。高度な製造業が直面している大きな課題の 1 つは、他の種類の材料を使用してコスト効率よく印刷する方法です。トンさんにとって、焦点は陶芸です。従来の方法で製造する場合、セラミックは高温の炉で数時間にわたって焼結する必要があります。異なるタイプのセラミックは、異なる温度で焼結する必要があります。

電解装置には 4 種類の異なるセラミックスが必要であり、焼結が困難です。トン氏のプロジェクトでは、3Dプリンターでセラミックの層を作り、それをレーザーで焼結するため、炉は不要になる。この技術により、ユーザーは炉を使わずに4種類のセラミックから作られた電解装置を3Dプリントできるようになる。それは、何層にも重なったケーキを作るのに似ていて、各層にはそれぞれ異なる風味があります。

この技術により、新製品の 3D プリントが可能になり、あらゆる利点がもたらされる可能性があります。例えば、自動車の燃料電池スタックの設計図を何千マイルも離れた工場に電子メールで送信し、配達を何日も待つことなく、数時間で印刷できるとトン氏は述べた。このプロジェクトには、クレムソン大学の材料科学工学部の教員 4 名が参加しています。トン氏がこのプロジェクトの主任研究員であり、ハイ・シャオ氏、カイル・ブリンクマン氏、フェイ・ペン氏が共同主任研究員である。

この研究は、エネルギーを変換するためのより持続可能な方法を生み出すためのクレムソン大学の取り組みを強化するものだと、同学部長のラジェンドラ・ボルディア氏は述べた。「材料科学工学部は、電気分解技術を使って再生可能エネルギー輸送用のエネルギーを生み出すという主導的な役割を果たす独自の立場にあります」と彼は語った。「このプロジェクトに取り組んでいるチームは、エネルギー変換、レーザー加工、積層造形、セラミック加工のためのセラミック材料や機器など、関連分野における世界クラスの専門知識を備えています。」

工学・コンピューター・応用科学学部の学部長アナンド・グラモパディエ氏は、このプロジェクトはクレムソン大学の先進的製造研究における卓越性に基づいていると語った。「受賞数は、研究に投入された革新的なアイデアと優秀な人材の証です」とグラモパディエ氏は語った。「タン博士とそのチームが助成金を受賞したことを祝福します。」

出典：初心と未来を決して忘れない

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