3D printing of ceramic-based solid state energy conversion devices

Abstract

En las últimas décadas, las tecnologías de fabricación aditiva han logrado una amplia difusión, evolucionando desde los primeros prototipos hasta conseguir una extensa distribución comercial. Los materiales cerámicos son bien conocidos por su alta rigidez, fragilidad y tenacidad, que dificultan la consecución de formas complejas y hace extremadamente costosa su mecanización (gran consumo de herramientas o moldes para uso individual). La fabricación aditiva puede reducir el coste de fabricación y abrir nuevos diseños, con libertad de forma prácticamente total, no realizables mediante técnicas tradicionales. El primer paso de la investigación en este campo es la aplicación de la fabricación aditiva al campo de los materiales funcionales, donde los requisitos de propiedades estructurales, microestructurales, ópticas y eléctricas son superiores a los de las aplicaciones comerciales. En particular, la oportunidad de diseños complejos es interesante para aplicaciones en las que el área activa juega un papel importante en el rendimiento final, como en catálisis o en dispositivos electroquímicos. En estos casos, a menudo es necesario más de un material cerámico. Por este motivo es de un gran interés la impresión 3D de múltiples materiales, que permitiría la producción de dichos dispositivos con pasos de fabricación reducidos y, en consecuencia, reduciendo el coste. Esta tesis se centra en la impresión de dispositivos de geometrías complejas para probar las ventajas exclusivas de la fabricación aditiva, tanto en el campo de la catálisis como en la aplicación de pilas de combustible y electrolizadores. Para ello, el trabajo aborda el desarrollo de soportes imprimibles y la hibridación de dos tecnologías de impresión diferentes para producir todo el dispositivo en un solo paso: estereolitografía y robocasting. La estereolitografía (SLA) se caracteriza por obtener estructuras de alta densidad (> 90%) con gran resolución espacial, del orden de 25 µm en las tres direcciones. Se han producido electrolitos para celdas de óxido sólido (SOC) en zirconia estabilizada con itria al 3% y al 8% molar. Se produjeron pilas de botón incorporando materiales estándar de cátodo y ánodo sobre los electrolitos imprimidos, para caracterizar el rendimiento electroquímico. Después de haber demostrado que la tecnología SLA produce electrolitos adecuados con propiedades comparables a las producidas por la fabricación tradicional, se ha medido un incremento de rendimiento, coherente con el incremento de área activa, realizado mediante la corrugación del electrolito. Seguidamente, en esta tesis se exploró la posibilidad de implementar opciones multimaterial, necesarias para imprimir un dispositivo comercial basado en tecnología SOCs. Utilizando SLA como tecnología base, se agregó a la máquina un sistema de robocasting, logrando imprimir cinco materiales. Las pastas necesarias para la impresión por robocasting se han desarrollado íntegramente en el marco de esta tesis a partir de polvos cerámicos comerciales y componentes orgánicos, evaluando su reología y capacidad de curado; produciendo materiales de cátodo, ánodo e interconector. La hibridación de SLA con robocasting fue alcanzada satisfactoriamente, demostrando la posibilidad de imprimir apilamientos de capas de los diferentes componentes. El sinterizado conjunto de tales sistemas fue llevado a cabo, afrontando los retos de la calcinación conjunta de capas compuestas por distintos materiales. Las primeras celdas obtenidas utilizando este procedimiento fueron testadas. Aunque será necesaria una optimización para mejorar los rendimientos, estas celdas son la demostración de la posibilidad de fabricar dispositivos SOC mediante impresión 3D multimaterial. Finalmente, usando técnica de SLA se produjeron placas de microcanales, utilizadas como lecho para la reacción de metanización de CO2, demostrando su eficacia frente a la tecnología tradicional basada en acero inoxidable en términos de conversión de CO2. También se fabricó por primera vez un reactor de intercambio de calor con colectores integrados mediante impresión 3D.

Date of Award	26 Mar 2021
Original language	English
Supervisor	Morata García Alejandro (Director), Alberto Tarancon Rubio (Director) & Eva Maria Pellicer Vila (Tutor)