Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har licensierat en ny metod för att 3D-skriva ut komponenter som används i neutroninstrument för vetenskaplig forskning till ExOne Company, en ledande tillverkare av binder jet 3-D-utskriftsteknik.

En långvarig samarbetspartner med ORNL, ExOne kommer att utnyttja labbets expertis i världsklass inom additiv tillverkning, material och neutronvetenskap för att vidareutveckla den patentsökta tekniken till 3D-utskriftskollimatorer med hjälp av en lättvikts, metallinfunderad komposit som är idealisk för neutronspridningsinstrument.

ExOne har för avsikt att skala upp produktionen av neutronvänliga kollimatorer – företagets första möjlighet att erbjuda högkvalitativa, billigare komponenter för neutronstråleapplikationer.

Liknar en bländare i en kamera, kollimatorer hjälper till att exakt definiera neutronstrålen, en funktion som ger högre trohetsmätningar av ett provs atomära och molekylära struktur och dynamik.

"Vårt arbete med kollimatorer har fokuserats på volfram infiltrerat med koppar för användning i röntgenapparater, datortomografi, eller CT, skanningar och magnetiska resonansavbildningsmaskiner, eller MRT, sa Dan Brunermer, ExOne tekniker. "Tekniken vi har licensierat från ORNL kommer att tillåta oss att bygga kollimatorer för neutronspridning, och det kräver en specialiserad blandning av material och efterbearbetning."

Istället för volfram och koppar, ORNL:s metod innefattar ett unikt sätt att binda ut jetmaterial av en lätt keramik som kallas borkarbid, eller B4C, som sedan infunderas med aluminium. Det resulterande materialet kallas en B4C-Al-metallmatriskomposit. Prototypkollimatorerna formades med hjälp av en ExOne-bindemaskin vid DOE:s tillverkningsdemonstrationsanläggning vid ORNL.

Under utskrift av bindemedelstråle, borkarbid, i pulverform, blandades med ett flytande bindemedel och skiktades in i kollimatorns komplexa prototypdesign. ORNL -teamet fyllde sedan delen med antingen cyanoakrylat, ett industriellt lim, eller aluminium. Jämfört med cyanoakrylat, aluminiumversionen ger struktur och styrka samtidigt som den minskar närvaron av kolväten, som kan störa neutronflödet.

Prototyperna testades på neutronspridningsinstrument vid ORNL:s Spallation Neutron Source and High Flux Isotope Reactor, båda DOE User Facilities ligger på ORNL. Testdelarna fungerade bra för att styra neutroner in i en smal bana medan de absorberade egensinniga, ger tydligare, mer exakta vetenskapliga data.

"Att bearbeta en kollimator genom traditionell tillverkning är ganska utmanande och kostsamt, " sa ORNLs David Anderson, meduppfinnare och instrumentingenjör för neutronspridning. "Men de behövs för att minska bakgrundsneutronstrålningen vid neutronspridningsinstrument. De flesta neutronspridningsinstrument, inklusive de på SNS och HFIR, ha dem."

Anderson ledde ett team av uppfinnare inklusive Amy Elliott från ORNL, som är specialiserad på binder jet printing, och ORNL neutronspridningsforskare Bianca Haberl, en expert på att använda neutroner för att studera material i extrema tryckmiljöer.

ExOne hoppas kunna tillhandahålla prisvärda kollimatoralternativ för användning på de hundratals neutronstrålar som är verksamma runt om i världen. Och, med möjlighet till lägre kostnadskollimatorer tillverkade snabbt, forskare kan använda en ny, skräddarsydd kollimator för varje experiment.

"När de börjar se experimentspecifika kollimatorer och hur de har potential att förbättra sina testresultat, vi hoppas få se designen, ordning och tillverkning av dessa enheter blir normen och inte undantaget, sa Brunermer.

ExOne förväntar sig att fortsätta sin relation med ORNL. "Vårt samarbete fortsätter att bevisa sitt värde för tillverkningsindustrin med resultatet av projekt som dessa, " sa Brunermer. "Det gynnar ExOne, det gynnar dessa kollimatorers kunder och det ger pengar tillbaka till den amerikanska skattebetalaren. "

Meduppfinnare av ORNL-tekniken inkluderar David Anderson, Corson Cramer, Amy Elliott, Garrett E. Granroth, Bianca Haberl, James O. Kiggans Jr., Anibal J. Ramirez-Cuesta, Derek H. Siddel och Matthew B. Stone.

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

UT-Battelle hanterar ORNL för DOE:s Office of Science. Office of Science är den enskilt största anhängaren av grundforskning inom fysikaliska vetenskaper i USA, och arbetar för att hantera några av vår tids mest utmanande utmaningar. För mer information, besök energy.gov/science. För ORNL-licensinformation, kontakta www.ornl.gov/partnerships.