Konzentrierte Solarenergie (CSP) unterscheidet sich von anderen erneuerbaren Energiequellen durch die Verwendung von thermischen Energiespeichern (TES) und konventionellen Wärmekraftmaschinen, um Energie nach Bedarf bereitzustellen. Um jedoch wettbewerbsfähige Stromgestehungskosten (LCOE) zu erreichen, müssen die CSP-Systemkosten gesenkt werden.
Jüngste Studien mehrerer dreifach periodischer Minimumoberflächen (TPMS) und periodischer Knotenoberflächen als Wärmetauscher haben gezeigt, dass Schwarz-D-TPMS-Oberflächen hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen. Karbide, Boride und Verbundstoffe von Übergangsmetallen der Gruppen IV-VI sind die gebräuchlichsten Ultrahochtemperatur-Keramikmaterialien (UHTC). Vor der Einführung der additiven Fertigung waren RDKS-Geräte schwierig herzustellen.
Im Vergleich zu früheren Methoden zur Herstellung von keramischen TPMS-Strukturen entwickelt sich die adhäsive Jet-Additive-Fertigung zu einer vielversprechenden und skalierbaren Methode zur Formung von Keramiken. Klebstoffstrahldrucken wurde verwendet, um UHTC-Wärmetauscherplatten in Kombination mit reaktiver Infiltration herzustellen, wurde jedoch nicht verwendet, um UHTC-TPMS-Strukturen herzustellen, die auf hohe relative Dichten gesintert wurden. Aus dem Sintern von Nanomaterialien gewonnene Erkenntnisse legen nahe, dass eine niedrige Rohdichte während des Formens nicht immer ein Problem darstellt und dass das Erreichen einer guten Gleichmäßigkeit wichtiger ist.
In dieser Studie demonstrierten die Autoren die Machbarkeit der additiven Herstellung von UHTC-TPMS-Strukturen durch Klebstoffsprühen durch Sintern und Drucken leerer Kandidaten. Es entstanden Bauteile mit mindestens 92 Prozent theoretischer relativer Dichte, die ebenfalls Teil des RDKS sind.
Die Zieldichte stellt den Übergang von der Zwischen- zur Endstufe des Sinterns dar, die erforderlich ist, um komplexe Near-Net-Formen unter Verwendung der Sinter-HIP-Technik zu voller Dichte zu sintern und die Gaspermeation zu unterdrücken. Der Zweck des TPMS-Demonstrationsteils bestand darin, zu sehen, ob die aus den Testproben erhaltenen Druck- und Sinterparameter auf die komplexe Geometrie anwendbar sind, die für das Wärmetauscherdesign verwendet werden würde.
Das Team druckte 9 cm 3 große kubische TPMS-Teile und sinterte sie, ohne sie zu verzerren oder zu brechen. Designtopologien, Materialien und Fertigungsfortschritte werden vorgestellt, um die beste Leistung ihrer Klasse in geschmolzenen Chloridsalzen in CSP-Wärmetauschern zu erzielen.
Die Forscher erörtern die Verwendung einer Kombination aus additiver Binderstrahl-Fertigung und Sintern zum Bau von ZrB2-MoSi2--basierten UHTC-TPMS-Zellen. Aufgrund seiner guten Verarbeitungseigenschaften und Qualität wurde ZrB2-MoSi2 absichtlich als ungültiger Kandidat ausgewählt, um die Machbarkeit eines UHTC-TPMS-Wärmetauschers zu demonstrieren, bis das beste UHTC-Material für diese Anwendung bestimmt werden konnte.
Es wurde gezeigt, dass die additive Fertigung mit Klebstoffspray zum Drucken und Sintern von UHTC-TPMS-Strukturen verwendet werden kann. Um die Verzerrung wirksam zu begrenzen, wurde festgestellt, dass eine raumbegrenzende Strategie erforderlich war. Es war in der Lage, herkömmliches Pulverausgangsmaterial mit einem d50 von etwa 2-3 m zu verwenden, die gleiche Größe, die bei der herkömmlichen UHTC-Verarbeitung verwendet wird. Diese Materialien werden auf eine theoretische relative Dichte von 92-98 Prozent gesintert, was ausreicht, um zu verhindern, dass Wärmetauscherflüssigkeiten durch die Wände strömen, wodurch die beiden Bereiche getrennt werden und ein thermisch-isostatischer Druck ermöglicht wird, wenn höhere Dichten erforderlich sind.