Het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft een nieuwe methode in licentie gegeven voor het 3D-printen van componenten die worden gebruikt in neutroneninstrumenten voor wetenschappelijk onderzoek aan de ExOne Company, een toonaangevende maker van binder jet 3D-printtechnologie.

Een jarenlange samenwerking met ORNL, ExOne zal gebruik maken van de expertise van het lab van wereldklasse op het gebied van additive manufacturing, materialen en neutronenwetenschap om de techniek waarvoor patent is aangevraagd verder te ontwikkelen tot 3D-printcollimators met behulp van een lichtgewicht, metaal doordrenkt composiet dat ideaal is voor neutronenverstrooiingsinstrumenten.

ExOne is van plan de productie van neutronenvriendelijke collimators op te schalen - de eerste mogelijkheid van het bedrijf om hoogwaardige, goedkopere componenten voor neutronenbundellijntoepassingen.

Vergelijkbaar met een diafragma in een camera, collimatoren helpen om de neutronenbundel nauwkeurig te definiëren, een functie die nauwkeurigere metingen biedt van de atomaire en moleculaire structuur en dynamiek van een monster.

"Ons werk aan collimatoren was gericht op wolfraam geïnfiltreerd met koper voor gebruik in röntgenapparaten, computertomografie, of CT, scans en magnetische resonantie beeldvormingsmachines, of MRI's, " zei Dan Brunermer, ExOne technische collega. "De technologie die we in licentie hebben van ORNL zal ons in staat stellen collimators te bouwen voor neutronenverstrooiing, en dat vereist een gespecialiseerde mix van materialen en nabewerking."

In plaats van wolfraam en koper, ORNL's methode omvat een unieke manier van binder-jet printen van een lichtgewicht keramiek genaamd boorcarbide, of B4C, dat wordt vervolgens doordrenkt met aluminium. Het resulterende materiaal wordt een B4C-Al metaalmatrixcomposiet genoemd. De prototype collimators werden gevormd met behulp van een ExOne binder jet machine bij DOE's Manufacturing Demonstration Facility bij ORNL.

Tijdens het printen met binderstraal, boorcarbide, in poedervorm, werd gemengd met een vloeibaar bindmiddel en gelaagd in het complexe prototypeontwerp van de collimator. Het ORNL-team vulde het onderdeel vervolgens met ofwel cyanoacrylaat, een industriële lijm, of aluminium. In vergelijking met cyanoacrylaat, de aluminium versie voegt structuur en sterkte toe en vermindert de aanwezigheid van koolwaterstoffen, die de stroom van neutronen kunnen verstoren.

De prototypes werden getest op neutronenverstrooiingsinstrumenten bij ORNL's Spallation Neutron Source en High Flux Isotope Reactor, beide DOE-gebruikersfaciliteiten op ORNL. De testonderdelen presteerden goed om neutronen in een smal traject te leiden en eigenzinnige te absorberen, duidelijker opleveren, preciezere wetenschappelijke gegevens.

"Het machinaal bewerken van een collimator door middel van traditionele productie is behoorlijk uitdagend en kostbaar, " zei David Anderson van ORNL, mede-uitvinder en ingenieur neutronenverstrooiing instrument. "Maar ze zijn nodig om de achtergrondstraling van neutronen bij neutronenverstrooiingsinstrumenten te verminderen. De meeste neutronenverstrooiingsinstrumenten, inclusief die bij SNS en HFIR, ze hebben."

Anderson leidde een team van uitvinders, waaronder Amy Elliott van ORNL, die gespecialiseerd is in binder jet printing, en ORNL neutronenverstrooiingswetenschapper Bianca Haberl, een expert in het gebruik van neutronen om materialen te bestuderen in omgevingen met extreme druk.

ExOne hoopt betaalbare collimatoropties te bieden voor gebruik op de honderden neutronenbundellijnen die over de hele wereld actief zijn. En, met de mogelijkheid voor goedkopere collimators die snel gemaakt kunnen worden, wetenschappers kunnen een nieuwe, op maat gemaakte collimator voor elk experiment.

"Als ze experimentspecifieke collimators beginnen te zien en hoe ze het potentieel hebben om hun testresultaten te verbeteren, we hopen het ontwerp te zien, orde en fabricage van deze apparaten worden de norm en niet de uitzondering, ’ zei Brunermer.

ExOne verwacht de relatie met ORNL voort te zetten. "Onze samenwerking blijft zijn waarde bewijzen voor de maakindustrie met het resultaat van projecten als deze, "zei Brunermer. "Het komt ExOne ten goede, het komt de klanten van deze collimators ten goede en het levert geld terug aan de Amerikaanse belastingbetaler."

Mede-uitvinders van de ORNL-technologie zijn onder meer David Anderson, Corson Cramer, Amy Elliott, Garrett E. Granroth, Bianca Haberl, James O. Kiggans Jr., Anibal J. Ramirez-Cuesta, Derek H. Siddel en Matthew B. Stone.

De productiedemonstratiefaciliteit van DOE bij ORNL wordt ondersteund door het Office of Energy Efficiency and Renewable Energy's Advanced Manufacturing Office.

UT-Battelle beheert ORNL voor DOE's Office of Science. Het Office of Science is de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten, en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd. Voor meer informatie, bezoek energy.gov/science. Voor informatie over ORNL-licenties, neem contact op met www.ornl.gov/partnerships.