Bianca Haberl et Amy Elliott de l'ORNL détiennent des collimateurs imprimés en 3D - une invention qui a été concédée sous licence à ExOne, une entreprise leader dans le domaine des imprimantes 3D à jet de liant. Crédit :Genevieve Martin/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a autorisé une nouvelle méthode d'impression 3D de composants utilisés dans les instruments à neutrons pour la recherche scientifique à la société ExOne, l'un des principaux fabricants de technologie d'impression 3D à jet de liant.
Collaborateur de longue date de l'ORNL, ExOne s'appuiera sur l'expertise de classe mondiale du laboratoire en fabrication additive, matériaux et la science des neutrons pour développer davantage la technique en instance de brevet pour imprimer des collimateurs en 3D à l'aide d'un poids léger, composite infusé de métal idéal pour les instruments de diffusion de neutrons.
ExOne a l'intention d'augmenter la production de collimateurs respectueux des neutrons, la première opportunité de l'entreprise d'offrir des collimateurs de haute qualité, composants à moindre coût pour les applications de lignes de lumière à neutrons.
Semblable à une ouverture dans un appareil photo, les collimateurs permettent de définir précisément le faisceau de neutrons, une fonction qui fournit des mesures plus fidèles de la structure et de la dynamique atomique et moléculaire d'un échantillon.
"Nos travaux sur les collimateurs se sont concentrés sur le tungstène infiltré avec du cuivre pour une utilisation dans les machines à rayons X, tomodensitométrie, ou CT, scanners et machines d'imagerie par résonance magnétique, ou IRM, " a déclaré Dan Brunermer, Chercheur technique ExOne. "La technologie que nous avons licenciée à l'ORNL va nous permettre de construire des collimateurs pour la diffusion des neutrons, et cela nécessite un mélange spécialisé de matériaux et de post-traitement."
Au lieu de tungstène et de cuivre, La méthode de l'ORNL comprend une méthode unique d'impression par jet de liant d'une céramique légère appelée carbure de bore, ou B4C, qui est ensuite infusé d'aluminium. Le matériau résultant est appelé un composite à matrice métallique B4C-Al. Les prototypes de collimateurs ont été formés à l'aide d'une machine à jet de liant ExOne à l'installation de démonstration de fabrication du DOE à l'ORNL.
Lors de l'impression à jet de liant, carbure de bore, sous forme de poudre, a été mélangé avec un agent liant liquide et déposé dans la conception complexe du prototype du collimateur. L'équipe de l'ORNL a ensuite rempli la pièce soit avec du cyanoacrylate, soit un adhésif industriel, ou en aluminium. Par rapport au cyanoacrylate, la version aluminium ajoute de la structure et de la résistance tout en réduisant la présence d'hydrocarbures, qui peuvent interférer avec le flux de neutrons.
Les prototypes ont été testés sur des instruments de diffusion de neutrons à la source de neutrons de spallation et au réacteur à isotope à haut flux de l'ORNL, les deux installations d'utilisateurs du DOE situées à l'ORNL. Les pièces de test ont bien fonctionné pour guider les neutrons dans une trajectoire étroite tout en absorbant ceux qui sont capricieux, donnant plus clair, des données scientifiques plus précises.
Petit, Collimateurs de neutrons imprimés en 3D, conçu par Jamie Molaison de l'ORNL, permettent de réduire les coûts et les délais de fabrication et pourraient permettre de nouveaux types d'expériences. Crédit :Genevieve Martin/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
"L'usinage d'un collimateur par la fabrication traditionnelle est assez difficile et coûteux, " a déclaré David Anderson de l'ORNL, co-inventeur et ingénieur instrument de diffusion de neutrons. "Mais ils sont nécessaires pour réduire le rayonnement neutronique de fond dans les instruments de diffusion de neutrons. La plupart des instruments de diffusion de neutrons, y compris ceux de SNS et HFIR, les avoir."
Anderson a dirigé une équipe d'inventeurs comprenant Amy Elliott d'ORNL, spécialisé dans l'impression par jet de liant, et Bianca Haberl, scientifique spécialiste de la diffusion des neutrons de l'ORNL, un expert de l'utilisation des neutrons pour l'étude des matériaux dans des environnements extrême-pression.
ExOne espère fournir des options de collimateurs abordables à utiliser sur les centaines de lignes de faisceaux de neutrons fonctionnant dans le monde. Et, avec la possibilité de réaliser rapidement des collimateurs à moindre coût, les scientifiques pourraient utiliser un nouveau, collimateur sur mesure pour chaque expérience.
« Quand ils commencent à voir des collimateurs spécifiques aux expériences et comment ils ont le potentiel d'améliorer leurs résultats de test, nous espérons voir le design, la commande et la fabrication de ces appareils deviennent la norme et non l'exception, ", a déclaré Brunermer.
ExOne espère poursuivre sa relation avec ORNL. "Notre collaboration continue de prouver sa valeur pour l'industrie manufacturière avec le résultat de projets comme ceux-ci, " a déclaré Brunermer. " Cela profite à ExOne, cela profite aux clients de ces collimateurs et cela rapporte de l'argent au contribuable américain."
Les co-inventeurs de la technologie ORNL incluent David Anderson, Corson Cramer, Amy Elliott, Garrett E. Granroth, Bianca Haberl, James O. Kiggans Jr., Anibal J. Ramirez-Cuesta, Derek H. Siddel et Matthew B. Stone.
L'installation de démonstration de fabrication du DOE à ORNL est soutenue par l'Office de l'efficacité énergétique et du bureau de fabrication de pointe de l'énergie renouvelable.
UT-Battelle gère ORNL pour le Bureau des sciences du DOE. L'Office of Science est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis, et s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d'informations, veuillez visiter energy.gov/science. Pour obtenir des informations sur les licences ORNL, contactez www.ornl.gov/partnerships.
