Bilar som går mer än 1, 000 miles på en enda påfyllning och smartphones som kan köras i dagar utan att laddas är bland de möjligheter som kan komma ut av ett nytt forskningsprojekt från Clemson University som kombinerar 3D-utskrift och laserbehandling.

Jianhua "Joshua" Tong och hans team arbetar på en ny 3-D-utskriftsteknik som involverar snabb laserbearbetning för att skapa "protoniska keramiska elektrolysörstackar" som omvandlar elektricitet till väte som ett sätt att lagra energi.

Elektrolysatorerna kan ha flera användningsområden, bland annat som bränslekälla i bilar eller för att lagra energi som genereras från sol- och vindkraft.

Den nya laser 3-D-utskriftstekniken skulle minska kostnaden och tiden för tillverkning av högkomprimerade elektrolysatorer, sa Tong. Genom att göra så, det kunde inte bara halvera kostnaden för väteproduktion utan också minska enhetens storlek med en storleksordning, han sa.

Tong, en docent i materialvetenskap och teknik, leder forskningen med 1,6 miljoner dollar från US Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.

"Vår framgång kommer att innebära att vi kan tillhandahålla hållbara, ren energi, " sa Tong. "Det är den fantastiska delen. Vi tar 3D-utskrift till nästa nivå."

Om forskare lyckas med elektrolysörerna, samma teknik skulle kunna användas för 3-D-utskrift av andra typer av keramiska produkter, inklusive batterier och solceller, sa Tong. Tekniken kunde, till exempel, leda till högdensitetsbatterier som gör att smartphones kan hålla laddningen flera dagar åt gången, han sa.

Tongs projekt är det senaste i en växande mängd forskning som syftar till att använda 3-D-utskrift för att förändra hur produkter tillverkas. Vid 3D-utskrift, produkter designas på en dator och skrivs sedan ut ett lager i taget, lagren staplas ovanpå varandra för att skapa produkten.

Mikrovågsugnets 3D-skrivare som ofta finns i klassrummen trycker med plast. En av de stora utmaningarna inom avancerad tillverkning är att ta reda på hur man kostnadseffektivt kan skriva ut med andra typer av material.

För Tong, fokus ligger på keramik.

När det görs konventionellt, keramik måste sintras i en ugn vid höga temperaturer, ofta i flera timmar. Olika typer av keramik måste sintras vid olika temperaturer.

En elektrolysator kräver fyra olika typer av keramik, gör sintringen till en utmaning.

I Tongs projekt, en 3D-skrivare lägger ner ett lager keramik, och en laser sinter den samtidigt, eliminerar behovet av ugnen.

Tekniken skulle tillåta användaren att 3-D-skriva ut en elektrolysör gjord av fyra olika typer av keramik utan att använda en ugn. Det skulle likna att göra en tårta med många lager och ha olika smak för varje lager.

Tekniken kan öppna 3D-utskrift för nya produkter och alla fördelar som följer med. Till exempel, en design för en bils bränslecellsstack skulle kunna mailas till en fabrik tusentals mil bort, och det kunde skrivas ut inom några timmar istället för att vänta i dagar på leverans, sa Tong.

Projektet samlar fyra fakultetsmedlemmar vid Clemsons institution för materialvetenskap och teknik. Tong fungerar som huvudutredare för projektet, medan Hai Xiao, Kyle Brinkman och Fei Peng är medansvariga utredare.

Rajendra Bordia, ordförande för avdelningen, sade forskningen förbättrar Clemsons ansträngningar för att skapa mer hållbara sätt att omvandla energi.

"Institutionen för materialvetenskap och teknik är unikt positionerad för att spela en ledande roll i att använda elektrolys för att skapa energi för transport från förnybara källor, " sa han. "Teamet som arbetar med detta projekt representerar expertis i världsklass inom relevanta områden, inklusive keramiska material och anordningar för energiomvandling, laserbehandling, additiv tillverkning och keramisk bearbetning."

Anand Gramopadhye, dekanus för ingenjörshögskolan, Beräknings- och tillämpad vetenskap, sade projektet bygger på Clemsons spetskompetens inom avancerad tillverkningsforskning.

"Mängden på priset är ett bevis på de innovativa idéer och topptalanger som går in i forskningen, " sa Gramopadhye. "Jag gratulerar Dr. Tong och hans team till anslaget."