L'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha concesso in licenza alla ExOne Company un nuovo metodo per stampare in 3D i componenti utilizzati negli strumenti a neutroni per la ricerca scientifica. un produttore leader di tecnologia di stampa 3D a getto di legante.

Collaboratore di lunga data con ORNL, ExOne sfrutterà l'esperienza di livello mondiale del laboratorio nella produzione additiva, materiali e scienza dei neutroni per sviluppare ulteriormente la tecnica in attesa di brevetto per i collimatori di stampa 3D utilizzando un leggero, composito infuso di metallo ideale per gli strumenti di diffusione di neutroni.

ExOne intende aumentare la produzione di collimatori neutroni, la prima opportunità dell'azienda di offrire alta qualità, componenti a basso costo per applicazioni a fascio di neutroni.

Simile a un'apertura in una macchina fotografica, i collimatori aiutano a definire con precisione il fascio di neutroni, una funzione che fornisce misurazioni ad alta fedeltà della struttura e della dinamica atomica e molecolare di un campione.

"Il nostro lavoro sui collimatori si è concentrato sul tungsteno infiltrato con rame da utilizzare nelle macchine a raggi X, tomografia computerizzata, o TC, scansioni e macchine per la risonanza magnetica, o risonanza magnetica, " ha detto Dan Brunermer, Tecnico ExOne. "La tecnologia che abbiamo ottenuto in licenza da ORNL ci consentirà di costruire collimatori per la diffusione di neutroni, e ciò richiede un mix specializzato di materiali e post-elaborazione."

Invece di tungsteno e rame, Il metodo di ORNL comprende un modo unico di stampare a getto di legante una ceramica leggera chiamata carburo di boro, o B4C, che viene poi infuso con alluminio. Il materiale risultante è chiamato composito a matrice metallica B4C—Al. I prototipi di collimatori sono stati formati utilizzando una macchina a getto legante ExOne presso la Manufacturing Demonstration Facility del DOE presso l'ORNL.

Durante la stampa a getto di raccoglitore, carburo di boro, in polvere, è stato miscelato con un agente legante liquido e stratificato nel complesso design del prototipo del collimatore. Il team dell'ORNL ha quindi riempito la parte con cianoacrilato, un adesivo industriale, o alluminio. Rispetto al cianoacrilato, la versione in alluminio aggiunge struttura e robustezza riducendo la presenza di idrocarburi, che possono interferire con il flusso di neutroni.

I prototipi sono stati testati su strumenti di diffusione di neutroni presso la Spallation Neutron Source e l'High Flux Isotope Reactor dell'ORNL, entrambe le strutture per gli utenti DOE situate presso l'ORNL. Le parti di prova hanno funzionato bene per guidare i neutroni in una traiettoria stretta mentre assorbevano quelli ribelli, rendendo più chiaro, dati scientifici più precisi.

"La lavorazione di un collimatore attraverso la produzione tradizionale è piuttosto impegnativa e costosa, " ha detto David Anderson di ORNL, co-inventore e ingegnere dello strumento di diffusione di neutroni. "Ma sono necessari per ridurre la radiazione di neutroni di fondo negli strumenti di diffusione di neutroni. La maggior parte degli strumenti di diffusione di neutroni, compresi quelli di SNS e HFIR, averli."

Anderson ha guidato un team di inventori tra cui Amy Elliott di ORNL, specializzato nella stampa a getto di raccoglitori, e la scienziata dello scattering di neutroni dell'ORNL Bianca Haberl, un esperto nell'uso dei neutroni per studiare i materiali in ambienti a pressioni estreme.

ExOne spera di fornire opzioni di collimatore convenienti da utilizzare sulle centinaia di linee di luce di neutroni che operano in tutto il mondo. E, con l'opportunità di collimatori a basso costo realizzati rapidamente, gli scienziati potrebbero utilizzare un nuovo, collimatore su misura per ogni esperimento.

"Quando iniziano a vedere collimatori specifici per esperimenti e come hanno il potenziale per migliorare i risultati dei loro test, speriamo di vedere il design, l'ordine e la fabbricazione di questi dispositivi diventano la norma e non l'eccezione, " ha detto Brunermer.

ExOne prevede di continuare la loro relazione con ORNL. "La nostra collaborazione continua a dimostrare il suo valore all'industria manifatturiera con l'esito di progetti come questi, " ha detto Brunermer. "A vantaggio di ExOne, avvantaggia i clienti di questi collimatori e restituisce denaro ai contribuenti americani."

I co-inventori della tecnologia ORNL includono David Anderson, Corson Cramer, Amy Elliott, Garrett E. Granroth, Bianca Haberl, James O. Kiggans Jr., Anibal J. Ramirez-Cuesta, Derek H. Siddel e Matthew B. Stone.

La struttura di dimostrazione della produzione del DOE presso l'ORNL è supportata dall'Ufficio per l'efficienza energetica e dall'Ufficio per la produzione avanzata di energie rinnovabili.

UT-Battelle gestisce ORNL per l'Office of Science del DOE. L'Office of Science è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti, e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni, per favore visita energy.gov/science. Per informazioni sulla licenza ORNL, contattare www.ornl.gov/partnerships.