3D Printing and Carbonization of High Performing Polyimide Formulations

Abstract

Stereolitografisk 3D-printing (SLA) er en moden form for additiv tilvirkning, og blir i økende grad brukt til produksjon av deler som inngår i et ferdig produkt. I denne oppgaven utforskes muligheten for å bruke SLA til å produsere gassdiffusjonslagene som inngår i proton-utvekslende brensel-celler. En studie av eksisterende litteratur presenteres,og denne studien indikerer at oppløsningen som er oppnåelig med SLA er kompatibel med designkravene for gassdiffusjonslag. Teknikker for effektiv generering av gitterkonstruksjoner med slik oppløsing har blitt utviklet. Dette er gjort ved å hoppe over 3D modellering som et steg i prosessen og isteden produsere 2D tverrsnitt med et python script. Sammenligninger som er utført viser at denne teknikken er størrelsesordener raskere enn vanlig 3D-modellering. Videre tillater teknikken nøyaktig innstilling av energidoseringen gjennom pikselbasert intensitetskontroll. Dette muliggjorde 3d-printing av gitterkonstruksjoner med bjelker bare en piksel brede (50uM), adskilt av mellomrom kun tre piksler (150uM) brede på en kommersielt tilgjengelig DLP-SLA 3D-printer. Denne masteroppgaven undersøker også to polyimidbaserte materialer som kandidatmaterialer for de 3D-printede gassdiffusjonslagene. Resultatene indikerer at det er mulig å karbonisere UV-herdbar polyimid, men også at mer arbeid er nødvendig for å avgjøre om materialet er egnet

Stereolithographic 3D printing (SLA) is a mature additive manufacturing technology and is gaining traction for the production of certain end-use parts. In this thesis, the possibility of using SLA to produce the gas diffusion layers found in proton exchange membrane fuel cells is explored. A study of the existing literature is presented, which indicates that the resolution of SLA is compatible with the design requirements for gas diffusion layers. A technique for efficiently designing lattice structures with sufficient resolution and a large number of features have been developed. This has been done by avoiding 3D modeling and instead directly producing 2D cross sections with a Python script. Comparisons show that this technique could be orders of magnitudes faster than conventional 3D modeling. Further, the technique allows for precise tuning of the energy dosage through pixel-based intensity control, this enables 3D printing of lattice structures with beams only one pixel wide 50 μm, separated by only three pixels 150 μm gaps on a commercially available a DLP-SLA printer. The thesis also investigates two polyimide-based materials as candidate materials for the 3D printed gas diffusion layers. The results indicate that it is possible to carbonize UV-curable polyimide, but also that more work is needed to determine if the material is suitable.