Lisa-Lou Gracia, CEA Project Manager, considera cómo Versaprint utiliza tecnología de impresión inteligente para construir sistemas de batería de próxima generación para todos los modos de transporte.
En un mundo de unidades eléctricas que evolucionan rápidamente, las baterías a menudo se diseñan en casos de uso estrechos, limitando la adaptabilidad y la desaceleración de la innovación en los sectores. Versaprint, un proyecto europeo de investigación colaborativa, desafiará el status quo con propuestas audaces. ¿Qué sucede cuando el sistema de batería es módulos, multifuncional y sostenible desde el principio? Con esta visión, Versaprint está construyendo una nueva generación de sistemas de batería adaptados al rendimiento, así como al potencial de fabricación escalable y de integración sectorial. Desde la aviación hasta los automóviles, el ferrocarril y el transporte transmitido por el agua, la arquitectura flexible de Versaprint y los principios de diseño ecológico tienen como objetivo hacer que las baterías sean más inteligentes, más seguras y más preparadas para el futuro.
Si bien gran parte de la conversación de batería se centra en la densidad de energía y el costo, Versaprint utiliza técnicas de fabricación aditiva como la impresión 3D para agregar una nueva capa de innovación que integra componentes inteligentes, livianos y reciclables. Su misión es clara. El diseño de sistemas de baterías más seguros, más sostenibles y adaptables permite a la industria europea liderar la carrera global de baterías.
Tecnología modular para mercados multifacéticos
Los paquetes de baterías de hoy a menudo están todos en una talla diseñada para la fabricación a granel. Sin embargo, las necesidades de movilidad no son uniformes. Los módulos de batería para los EV de la ciudad comparten poco con sistemas de batería para naves marinas o aviones ligeros. Versaprint aborda este desafío con una arquitectura modular construida a partir de bloques de construcción inteligentes (BBS), cada una tratada con características clave como gestión térmica, interconexión, detección y protección estructural.
Estos BBS están diseñados para ser componentes mixtos y coincidentes. Ajustable para su formato específico, química, voltaje y aplicaciones. Esta flexibilidad proporciona un valor real para la industria. Reduce el tiempo de desarrollo, la facilidad de personalización y una mejor alineación con los requisitos de los casos de uso.
La modularidad de Versaprint significa una mejor escalabilidad en toda la industria. Con la aviación y las aplicaciones automotrices que ya están siendo prototipos, las simulaciones están ampliando sus beneficios a aplicaciones ferroviarias, transmitidas por el agua y todoterreno. Esta amplia aplicabilidad aumenta la relevancia de los resultados del proyecto y la cobertura del mercado.
¿Por qué se fabrican los aditivos?
La fabricación aditiva – impresión 3D – es fundamental para la estrategia de Versaprint. Pero no se usa para la novedad. Permite características que los métodos tradicionales luchan para lograr.
«Usando la impresión 3D avanzada, incrustamos las características y los valores directamente en el sistema de batería», explica Lisa-Lou Gracia. «La impresión 3D permite un recuento reducido de piezas mediante la inserción de retardantes de llama, integrando estructuras internas complejas para el manejo térmico y multifuncionalización».
Por ejemplo, los microcanales imprimidos a base de silicio (BB1) para los sistemas de enfriamiento reducen significativamente el peso en comparación con las contrapartes de metal tradicionales. Esta solución no solo enfría las celdas. Aumenta la energía y la densidad de potencia al mantener temperaturas óptimas durante la carga y la descarga.
Aún así, el proyecto permanece castigado. Por ejemplo, las carcasas impresas en 3D no se pretenden como la solución de fabricación final, sino como una cama para integrar la funcionalidad y mejorar la reciclabilidad.
Dimensionamiento de batería más inteligente con simulación
Una de las contribuciones sobresalientes de Versaprint es la herramienta de decisión, un motor de simulación integrado en Matlab Simulink. Esta herramienta permite a los ingenieros diseñar el módulo de batería óptimo basado en restricciones específicas, como el voltaje del paquete, la capacidad y el tipo de celda. Incluso los factores del envejecimiento celular permiten estimaciones más precisas de la vida útil.
Esto es lo que hace:
Proponemos la citocemistía óptima basada en aplicaciones específicas, espacio disponible y perfiles térmicos. Recomendamos la mejor combinación de BBS de Versaprint para aplicaciones específicas para equilibrar el rendimiento, el peso, el costo, la sostenibilidad y la seguridad. Proporciona un análisis rápido de iteración y sensibilidad para optimizar tanto el rendimiento técnico como la huella ambiental.
Esta columna vertebral de decisión no solo acelera el tiempo de diseño, sino que también reduce el riesgo. Al simular los resultados previos a la fabricación, las empresas pueden evitar fallas costosas y desarrollar soluciones de ajuste a medida con confianza.
Sostenibilidad como principio de diseño
A diferencia de otros proyectos de batería que agregan una evaluación de sostenibilidad al final, Versaprint integra el diseño ecológico desde el principio. Como resultado, no solo las baterías más verdes, sino el desarrollo de productos más inteligente es posible.
Utiliza tintas solubles en agua biológicas utilizadas en sensores de impresión (BB2). Estos sensores reducen el daño ambiental evitando solventes y materiales tóxicos. También se imprime en láminas en lugar de directamente en celdas, simplificando la integración y reduciendo los desechos de producción.
Agregue a las barras colectivas de Versaprint (BB3 y BB4) diseñadas para el desmontaje manual rápido y la reutilización de la segunda vida. Un diseño reduce el tiempo de desmontaje del módulo de más de 2 horas a solo 13 minutos. Este es un posible cambio de juego en la economía de reciclaje. El costo de desmontaje disminuirá de 3.99 euros/kWh a solo 0.36 euros/kWh.
Más allá de los materiales, el proyecto evalúa la huella ambiental a lo largo del ciclo de vida de cada bloque de construcción, con el análisis final a nivel del sistema en la siguiente etapa.
Seguridad y vida útil mejorada
La seguridad es la base de la propuesta de valor de Versaprint. Todos los BBS juegan un papel en la prevención o la mitigación del fugitivo térmico (TR), el modo de falla principal de las baterías de iones de litio.
Sistema de enfriamiento (BB1): previene el sobrecalentamiento durante los ciclos de carga/descarga de alta velocidad, mantiene una temperatura celular óptima y extiende la vida útil de la célula. Temperatura de impresión 3D y sensor de hidrógeno (BB2): monitorea las señales de advertencia temprana de TR y permite respuestas más rápidas. Barras colectivas (BB3/BB4): integra las características de electricidad, calor y seguridad, mientras que es fácil de desmontar para el mantenimiento y el tratamiento del final de la vida. Filtros de gas y partículas (BB7): enfríe los gases de escape durante la TR, atrapando las liberaciones sólidas, reduciendo el riesgo de propagación del fuego a las células adyacentes.
Hallazgos recientes del laboratorio muestran que el sistema de enfriamiento de Versaprint (BB1) mantiene una carga/descarga 3C mientras mantiene la temperatura de la celda por debajo de 55 ° C, un margen de seguridad significativo. Además, las pruebas del sistema de gestión de gases de escape (BB7) muestran que la temperatura de los gases de escape se puede cortar por la mitad durante los fugitivos térmicos, evitando efectivamente los incendios y la propagación de calor más allá del módulo de la batería.
Orientación industrial desde el principio
Versaprint Technologies se forma a través de la retroalimentación continua de los líderes industriales no solo en el laboratorio sino también en los sectores de aviación, automotriz y energía. Empresas como Airbus, BMW y Turkish Aerospace están revisando y verificando activamente la producción del proyecto.
Sus preguntas no son académicas. ¿Por qué hay sensores impresos en 3D presentes cuando hay sensores comerciales? ¿La carcasa cumple con las regulaciones de compatibilidad electromagnética (EMC)? ¿Qué tan robusto es el conector en entornos duros?
Estas consultas dan forma a las decisiones del proyecto real. Por ejemplo, los sensores se imprimen con tinta a base biológica en la lámina, reduciendo el impacto ambiental y mejorando la integración. Los conectores se han probado tanto en carcasas impresas y en 3D, y el módulo sufre pruebas rigurosas de choques y vibraciones para demostrar su robustez y resistencia.
Mirando hacia el futuro
A medida que Versaprint se mueve a la siguiente etapa, la verificación del prototipo y la demostración del usuario final se vuelven importantes. Los resultados iniciales estiman una mejora del 15% en la densidad de masa, y la densidad de energía gravimétrica alcanza un máximo de 155 wh/kg usando células NMC. Además, el rendimiento térmico expande la alta salida de 15 a 30 minutos, duplicando la potencia disponible sin comprometer la seguridad.
La promesa es clara: baterías más inteligentes, más seguras y verdes que se expanden en una variedad de sectores de movilidad. Y debido a que están diseñados con sostenibilidad, desmontaje y modularidad en mente, proporcionan una hoja de ruta para un sistema de baterías circulares que Europa puede fabricar tanto la fabricación como el reciclaje.
A medida que se acelera la competencia global para la electrificación, Versaprint está estableciendo nuevos estándares para el diseño del sistema de baterías, donde la investigación y la innovación satisfacen directamente las necesidades de la industria. A través de materiales avanzados, componentes multifuncionales impresos en 3D, tecnología de detección sostenible y herramientas de diseño basadas en simulación, el proyecto demuestra cómo el pensamiento integrado puede cerrar la brecha entre la eficiencia y la circulación.
Con la retroalimentación constante de los principales jugadores industriales en los sectores automotriz, de aviación y energía, Versaprint allana el camino para un sistema de baterías verdaderamente adaptable, seguro y sostenible, listo para alimentar el futuro eléctrico a través de la tierra, el mar y el aire.
¿Quién está detrás de Versaprint?
Versaprint reúne un consorcio multinacional de 10 socios de cinco países europeos en la cadena de valor de la batería y está codificado en la alternativa de energía atonagiet del comité. Estos incluyen Leitat, FEV Europe, Centro Ricerche Fiat, Sonaca, Efesta, Avesta, Lomartov, RWTH Aachen University y Opmobility. Desde el desarrollo de materiales y la fabricación aditiva hasta el diseño ecológico y la evaluación del ciclo de vida, cada socio juega un papel clave en la transformación del concepto de baterías modulares en una solución del mundo real lista para la adopción industrial.
Este artículo también se presentará en la 24ª edición de Quarterly Publishing.
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