En metode til 3D-print af komponenter til raffineret neutronspredning

Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har givet ExOne Company licens til en ny metode til 3D-print af komponenter, der bruges i neutroninstrumenter til videnskabelig forskning. en førende producent af bindemiddelstråle 3D-printteknologi.

En mangeårig samarbejdspartner med ORNL, ExOne vil udnytte laboratoriets ekspertise i verdensklasse inden for additiv fremstilling, materialer og neutronvidenskab for at videreudvikle den patentanmeldte teknik til 3D-printkollimatorer ved hjælp af en letvægts, metalinfunderet komposit, der er ideel til neutronspredningsinstrumenter.

ExOne har til hensigt at opskalere produktionen af ​​neutronvenlige kollimatorer - virksomhedens første mulighed for at tilbyde høj kvalitet, billigere komponenter til neutron beamline applikationer.

Ligner en blænde i et kamera, kollimatorer hjælper med at præcist definere neutronstrålen, en funktion, der giver højere troværdighedsmålinger af en prøves atom- og molekylære struktur og dynamik.

"Vores arbejde med kollimatorer har været fokuseret på wolfram infiltreret med kobber til brug i røntgenmaskiner, computertomografi, eller CT, scanninger og maskiner til magnetisk resonansbilleddannelse, eller MR'er, " sagde Dan Brunermer, ExOne teknisk kollega. "Den teknologi, vi har licens fra ORNL, giver os mulighed for at bygge kollimatorer til neutronspredning, og det kræver en specialiseret blanding af materialer og efterbehandling."

I stedet for wolfram og kobber, ORNLs metode omfatter en unik måde at binde-jet-udskrive en letvægtskeramik kaldet borcarbid, eller B4C, der derefter tilføres aluminium. Det resulterende materiale kaldes en B4C — Al metal matrix komposit. Prototypekollimatorerne blev dannet ved hjælp af en ExOne binder jet maskine på DOE's Manufacturing Demonstration Facility på ORNL.

Under udskrivning af bindemiddel, borcarbid, i pulverform, blev blandet med et flydende bindemiddel og lagt i kollimatorens komplekse prototypedesign. ORNL -teamet fyldte derefter delen med enten cyanoacrylat, et industrielt klæbemiddel, eller aluminium. Sammenlignet med cyanoacrylat, aluminiumsversionen tilføjer struktur og styrke og reducerer tilstedeværelsen af ​​kulbrinter, som kan forstyrre strømmen af ​​neutroner.

Prototyperne blev testet på neutronspredningsinstrumenter ved ORNL's Spallation Neutron Source og High Flux Isotope Reactor, begge DOE-brugerfaciliteter placeret på ORNL. Testdelene fungerede godt for at lede neutroner ind i en smal bane, mens de absorberede egensindige, giver klarere, mere præcise videnskabelige data.

"Bearbejdning af en kollimator gennem traditionel fremstilling er ret udfordrende og dyrt, "sagde ORNLs David Anderson, medopfinder og neutronspredningsinstrumentingeniør. "Men de er nødvendige for at reducere baggrundsneutronstråling ved neutronspredningsinstrumenter. De fleste neutronspredningsinstrumenter, herunder dem hos SNS og HFIR, har dem."

Anderson ledede et team af opfindere, herunder Amy Elliott fra ORNL, der har specialiseret sig i bindemiddeludskrivning, og ORNL neutronspredningsforsker Bianca Haberl, en ekspert i at bruge neutroner til at studere materialer i miljøer med ekstremt tryk.

ExOne håber at kunne tilbyde billige kollimatormuligheder til brug på de hundredvis af neutronstråler, der opererer rundt om i verden. Og, med mulighed for billigere kollimatorer lavet hurtigt, forskere kunne bruge en ny, skræddersyet kollimator til hvert forsøg.

"Når de begynder at se eksperimentspecifikke kollimatorer, og hvordan de har potentialet til at forbedre deres testresultater, vi håber at se designet, rækkefølge og fremstilling af disse enheder bliver normen og ikke undtagelsen, " sagde Brunermer.

ExOne forventer at fortsætte deres forhold til ORNL. "Vores samarbejde fortsætter med at bevise sin værdi for fremstillingsindustrien med resultatet af projekter som disse, " sagde Brunermer. "Det gavner ExOne, det gavner disse kollimatorer sine kunder, og det føder penge tilbage til den amerikanske skatteyder. "

Medopfindere af ORNL-teknologien omfatter David Anderson, Corson Cramer, Amy Elliott, Garrett E. Granroth, Bianca Haberl, James O. Kiggans Jr., Anibal J. Ramirez-Cuesta, Derek H. Siddel og Matthew B. Stone.

DOE's Manufacturing Demonstration Facility på ORNL understøttes af Office of Energy Efficiency and Renewable Energy's Advanced Manufacturing Office.

UT-Battelle administrerer ORNL for DOE's Office of Science. Office of Science er den største enkeltstående tilhænger af grundforskning i de fysiske videnskaber i USA, og arbejder på at løse nogle af de mest presserende udfordringer i vores tid. For mere information, besøg venligst energy.gov/science. For ORNL-licensoplysninger, kontakt www.ornl.gov/partnerships.