L'energia solare a concentrazione (CSP) si distingue da altre fonti di energia rinnovabile utilizzando l'accumulo di energia termica (TES) e motori termici convenzionali per inviare energia su richiesta. Tuttavia, al fine di ottenere un costo dell'energia livellato competitivo (LCOE), i costi del sistema CSP devono essere ridotti.
Recenti studi su diverse superfici triple periodiche minime (TPMS) e superfici nodali periodiche come scambiatori di calore hanno dimostrato che le superfici Schwarz-D TPMS hanno eccellenti proprietà di trasferimento del calore. i carburi, i boruri e i compositi dei metalli di transizione del gruppo IV-VI sono i materiali ceramici ad altissima temperatura (UHTC) più comuni. Prima dell'introduzione della produzione additiva, i dispositivi TPMS erano difficili da fabbricare.
Rispetto ai precedenti metodi di produzione di strutture TPMS in ceramica, la produzione di additivi a getto adesivo si sta sviluppando come un metodo promettente e scalabile per formare la ceramica. La stampa a getto adesivo è stata utilizzata per fabbricare piastre di scambiatori di calore UHTC in combinazione con l'infiltrazione reattiva, ma non è stata utilizzata per fabbricare strutture TPMS UHTC sinterizzate a densità relative elevate. Le lezioni apprese dalla sinterizzazione dei nanomateriali suggeriscono che la bassa densità grezza durante lo stampaggio non è sempre un problema e che il raggiungimento di una buona uniformità è più importante.
In questo studio, gli autori hanno dimostrato la fattibilità della produzione di additivi spray adesivi di strutture UHTC-TPMS mediante sinterizzazione e stampa di candidati vuoti. Sono stati creati componenti con almeno il 92% di densità relativa teorica, anch'essi parte del TPMS.
La densità target rappresenta la transizione dalla fase intermedia a quella finale della sinterizzazione, necessaria per sinterizzare forme near-net complesse a piena densità e sopprimere la permeazione di gas utilizzando la tecnica HIP di sinterizzazione. Lo scopo della parte dimostrativa del TPMS era verificare se i parametri di stampa e sinterizzazione ottenuti dai campioni di prova fossero applicabili alla geometria complessa che sarebbe stata utilizzata per la progettazione dello scambiatore di calore.
Il team ha stampato pezzi di TPMS cubici da 9 cm3 e li ha sinterizzati senza distorcerli o romperli. Vengono presentate topologie di progettazione, materiali e progressi nella fabbricazione per ottenere le migliori prestazioni della categoria nei sali di cloruro fuso negli scambiatori di calore CSP.
I ricercatori discutono dell'uso di una combinazione di produzione additiva di binder jet e sinterizzazione per costruire celle UHTC-TPMS basate su ZrB2-MoSi2-. A causa delle sue buone caratteristiche di lavorazione e qualità, ZrB2-MoSi2 è stato intenzionalmente scelto come candidato non valido per dimostrare la fattibilità di uno scambiatore di calore UHTC-TPMS fino a quando non fosse stato determinato il miglior materiale UHTC per questa applicazione.
È stato dimostrato che la produzione di additivi spray adesivi può essere utilizzata per stampare e sinterizzare strutture UHTC-TPMS. Per limitare efficacemente la distorsione, si è scoperto che era necessaria una strategia di limitazione dello spazio. È stato in grado di utilizzare la materia prima in polvere convenzionale con un d50 di circa 2-3 m, la stessa dimensione utilizzata nella lavorazione UHTC convenzionale. Questi materiali sono sinterizzati a una densità relativa teorica del 92-98 percento , che è sufficiente per impedire ai fluidi dello scambiatore di calore di passare attraverso le pareti, separando le due regioni e consentendo la pressione isostatica termica quando sono richieste densità più elevate.