FABRICACIÓN ADITIVA DE ESTRUCTURAS DE TITANIO CON POROSIDAD GRADIENTE

Abstract

Las placas de transporte porosas (PTL, porous transport layer) son un componente fundamental de los electrolizadores PEM para la producción de hidrógeno mediante la electrólisis del agua, ya que desempeñan varias funciones cruciales en el funcionamiento del electrolizador, desde ser un medio conductor hasta dar soporte estructural al electrolizador. El objetivo de este trabajo fin de grado es fabricar estructuras porosas de titanio o de aleaciones de titanio para ser usados en dispositivos de generación de hidrógeno, en los que la porosidad varíe a lo largo de una dirección. Consiguiendo estructuras con una porosidad difícil de obtener solo mediante el diseño 3D del componente por lo que habido que modificar tanto el diseño en 3D como los parámetros de fabricación para obtener los gradientes deseados. Los materiales metálicos porosos pueden ser fabricados mediante varias técnicas de fabricación convencionales y no convencionales como la pulvimetalurgia, espumas metálicas, mecanizados o fabricación aditiva (impresión 3D) entre otras. Dentro de la fabricación aditiva, Selective Laser Melting (SLM) destaca sobre otras técnicas por su capacidad de producir componentes con geometrías complejas y alta precisión, utilizando una amplia gama de materiales metálicos con propiedades mecánicas superiores. Esta técnica es eficiente en términos de material, minimizando los residuos, y permite la personalización y producción bajo demanda sin necesidad de costosos moldes o herramientas específicas. Para alcanzar el objetivo del trabajo ha sido necesario identificar y ajustar los parámetros de fabricación (con dos equipos distintos, uno con láser de CO2 y otro con láser de fibra óptica) para obtener los niveles de porosidad deseados caracterizando la porosidad mediante diferentes técnicas. Una vez determinados los parámetros de fabricación, se realizaron diseños para obtener materiales con porosidad gradiente y se realizaron ensayos de corrosión y ensayos para medir la resistencia interfacial de contacto (ICR) en las muestras, para evaluar su resistencia en entornos adecuados para dispositivos de generación de hidrógeno. Los mejores resultados han sido obtenidos con el láser de fibra óptica, ya que con el láser de CO2 las muestras presentaban defectos de falta de fusión y sobre todo grietas, donde en algunos casos estas grietas llegaron a dividir las muestras en varias partes. En el caso de las muestras fabricadas con láser de fibra, la porosidad se debía a falta de fusión ya que al aumentar la velocidad de escaneado (disminuir la densidad de energía) la porosidad aumentaba considerablemente. Además, se podían apreciar algunos granos de polvo que no se llegaron a fundir. Se diseñaron unas placas de 1x1 cm y 2 mm de espesor para intentar simular un gradiente de porosidad 6 en CAD, donde el primer milímetro de la placa fuera denso y el otro milímetro estuviera formado por unos cilindros (con una separación diferente en cada muestra) repartidos en toda la superficie, cortando entre ellos en ángulos de 90 grados en forma de X generando pequeños huecos en la superficie de la muestra, para obtener una porosidad diferente a la de la parte densa. De estas muestras diseñadas en CAD, las que se sometieron al ensayo de corrosión dieron unos resultados prácticamente iguales y al medir su ICR, era bastante más alta que las muestras que no fueron corroídas, esto se debe a que durante la corrosión las superficies sufrieron una pasivación, volviéndose menos reactivas con su entorno mediante la formación de una capa protectora de óxido. Además, en todas las muestras, al aumentar la presión ejercida, la ICR disminuía, ya que la superficie de contacto con los electrodos se veía aumentada. Finalmente, no se consiguió generar el gradiente de porosidad que se deseaba. Al intentar fabricar las muestras de distinta porosidad mediante el diseño en 3D sin variar los parámetros de fabricación, las diferencias entre las muestras fueron casi inexistentes. Puede ser que a