L'Université Cornell et Lithoz remportent une subvention pour développer une nouvelle céramique d'impression 3D pour les réacteurs à énergie propre

Oct 04, 2023

L'Université Cornell, aux côtés de sa start-up Dimensional Energy et Lithoz, a reçu une subvention pour développer de nouvelles céramiques qui pourraient être utilisées pour imprimer en 3D des pièces de réacteurs à énergie propre.

Après avoir levé 50 000 $ de financement, les chercheurs des entreprises visent maintenant à mettre au point un nouveau type de céramique mieux à même de résister aux températures élevées des réacteurs thermocatalytiques en fonctionnement. En utilisant la modélisation informatique et l'impression 3D, l'équipe affirme qu'il pourrait être possible de superposer le matériau résultant dans des structures, façonnées spécifiquement pour améliorer à la fois la résilience et les taux de conversion du CO2 du réacteur.

"Les excellentes propriétés thermiques et la résistance à la corrosion rendent les céramiques attrayantes pour ces réacteurs, mais des contraintes de conception importantes limitent leurs performances réelles", a déclaré Sadaf Sobhani, professeur adjoint à l'Université Cornell à la tête du programme. "La liberté de conception et de choix des matériaux permise par la fabrication additive céramique réduira l'écart théorie-performance pour atteindre les jalons souhaités."

La technologie d'impression 3D LCM de Lithoz

Les chercheurs de l'Université Cornell ont travaillé avec Lithoz pendant au moins deux ans sur des initiatives visant à améliorer les performances des pièces du réacteur thermocatalytique, un partenaire possédant une vaste expérience dans l'impression 3D céramique. Initialement développée à l'Université de technologie de Vienne en 2006, la technologie d'impression 3D LCM de Lithoz permet la production de structures céramiques complexes, à une résolution ultra-haute.

En pratique, le procédé consiste à polymériser un matériau photodurcissable dispersé avec des particules céramiques couche par couche dans les formes souhaitées, avant de les fritter pour former des pièces céramiques solides. Selon Lithoz, son approche permet la production de composants qui "atteignent ou dépassent les performances mécaniques et la reproductibilité" de ceux fabriqués via les méthodes de fabrication céramiques traditionnelles.

Pour commercialiser sa technologie, la firme l'a intégrée dans plusieurs machines, dont l'imprimante 3D CeraFab Multi 2M30, qui dispose de capacités de fabrication additive multi-matériaux. En facilitant la production de combinaisons céramique-métal, céramique-polymère et céramique-céramique, le système permet la création de pièces fonctionnellement graduées, avec un mélange de propriétés mécaniques.

Plus récemment, Lithoz a lancé la CeraFab Lab L30, une imprimante 3D LCM économique, ainsi que la toute nouvelle CeraMax Vario V900, conçue pour la production de grands objets jusqu'à 250 x 250 x 290 mm, avec des parois épaisses et des densités complètes.

Au fil des années, l'entreprise a également cherché à inventer de nouveaux matériaux céramiques, afin d'étendre les applications de ses technologies. En 2019, par exemple, Lithoz a développé une vitrocéramique d'impression 3D aux côtés de Corning, qui a été annoncée comme une percée à l'époque pour la création de supraconducteurs résistants et biocompatibles.

Une initiative d'énergie verte dirigée par Cornell

Décerné par FuzeHub, une organisation à but non lucratif fondée pour stimuler la croissance des entreprises basées à New York, le financement de 50 000 $ a effectivement été accordé pour aider les opérations de Dimensional Energy. L'entreprise dirigée par l'Université Cornell utilise des réacteurs énergétiques pour convertir le dioxyde de carbone en produits chimiques qui peuvent ensuite être transformés en carburant d'aviation propre.

Alors que Dimensional Energy a obtenu le soutien d'United Airlines en juin, la société fournissant un financement et s'engageant à acheter 300 millions de gallons de carburant, la start-up s'appuie sur la technologie thermocatalytique, qui peut être difficile à mettre à l'échelle.

Ces réacteurs spécialisés fonctionnent efficacement en convertissant le CO2 capturé, mais comme le dit l'Université Cornell elle-même, la séparation des "liaisons moléculaires notoirement fortes" du gaz n'est "pas une tâche facile". Pour optimiser le processus, un groupe de recherche dirigé par Cornell a donc commencé à travailler avec des partenaires industriels pour proposer des céramiques imprimables en 3D, qui pourraient être capables de séparer plus efficacement les émissions de carbone.

S'appuyant sur les résultats de recherches antérieures, qui ont vu l'équipe travailler avec Lithoz America pour développer une approche basée sur la modélisation informatique et l'impression 3D, ils visent maintenant à créer des pièces de réacteur aux performances optimisées. Ce faisant, la directrice exécutive de FuzeHub, Elena Garuc, pense que les chercheurs donneront un coup de pouce à l'économie américaine, en offrant un meilleur accès à une source d'énergie propre à terre.

"Une production nationale plus forte soutient une économie plus résiliente", a expliqué Garuc. « Au cours de cette série de subventions de fabrication, de nombreux projets sélectionnés impliquaient des matériaux de pointe. Alors que les lauréats s'efforcent de résoudre des défis techniques, ils soutiennent également la délocalisation de la production, ce qui est crucial pour la résilience de la chaîne d'approvisionnement, en particulier en ces temps post-pandémiques.

L'impression 3D céramique en pratique

Malgré la fragilité traditionnellement associée à la céramique, les chercheurs et les fabricants trouvent de plus en plus de moyens de contourner ce problème pour imprimer en 3D le matériau en pièces avec des applications aérospatiales, énergétiques et même radar.

En mai 2022, l'Agence spatiale française a annoncé qu'elle enquêtait sur l'utilisation de l'impression 3D dans l'optimisation des sous-systèmes spatiaux. Plus précisément, l'agence a révélé qu'elle examinait le potentiel d'utilisation des matériaux céramiques à base d'oxyde imprimés en 3D pour améliorer la conception de sous-systèmes cruciaux pour la propulsion spatiale.

Un peu comme Dimensional Energy, Bosch Advanced Ceramics, en collaboration avec la société chimique BASF et l'Institut de technologie de Karlsruhe, a utilisé le matériau pour construire le premier microréacteur en céramique imprimé en 3D au monde. Dévoilé en juillet 2022, l'appareil est conçu pour abriter et faciliter les réactions chimiques, en plus de résister aux conditions souvent extrêmes créées au cours du processus.

À la fin de l'année dernière, CeramTec a également révélé qu'il constatait une demande croissante de pièces de sonar piézoélectrique imprimées en 3D avec des applications sous-marines. L'entreprise fabrique des composants PZT personnalisés pour les systèmes passifs et actifs avec des cas d'utilisation de sonar acoustique, en se concentrant particulièrement sur la production d'hémisphères, de disques, de blocs et de tubes.

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L'image en vedette montre Dimensional Energy testant un réacteur au Cornell McGovern Center. Photo via l'Université Cornell.

Paul est diplômé en histoire et en journalisme et se passionne pour la découverte des dernières nouveautés technologiques.