ORNL首次3D打印出復(fù)雜無(wú)缺陷鎢構(gòu)件，屬世界首創(chuàng)
時(shí)間：2024-06-01 22:18 來(lái)源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年6月1日，美國(guó)能源部(DoE)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)宣布,他們第一次成功3D打印出復(fù)雜且無(wú)缺陷的鎢構(gòu)件,這在"全世界范圍內(nèi)"都屬首次。這一新突破為制造高性能金屬零件開(kāi)辟了新可能。鎢是一種極其難加工的材料,過(guò)去很難通過(guò)3D打印技術(shù)制造出復(fù)雜形狀的鎢構(gòu)件。但ORNL的研究人員通過(guò)優(yōu)化打印工藝,最終實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。
這些鎢部件是在 ORNL 的制造示范設(shè)施(MDF)中使用電子束增材制造技術(shù)生產(chǎn)的，據(jù)說(shuō)是同類(lèi)產(chǎn)品中的首例。據(jù) ORNL 團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，這一成就為清潔能源技術(shù)（如聚變能源）提供了巨大的潛力。3D 打印部件專(zhuān)為極端環(huán)境而設(shè)計(jì)，鎢的熔點(diǎn)是所有金屬中最高的。因此，這種材料非常適合用于聚變反應(yīng)堆，其中等離子體的溫度可以達(dá)到1.8億華氏度以上。這比太陽(yáng)中心的溫度高得多，太陽(yáng)中心的溫度為 2700 萬(wàn)華氏度。
ORNL 沉積科學(xué)與技術(shù)組組長(zhǎng)Michael Kirka 評(píng)論道：“電子束增材制造對(duì)于復(fù)雜鎢幾何形狀的加工很有前景。這是擴(kuò)大耐高溫金屬在能源資源中的使用的重要一步，將支持可持續(xù)、無(wú)碳的未來(lái)。”
△3D 打印的復(fù)雜、無(wú)缺陷鎢部件。照片來(lái)自 Michaela Bluedorn/ORNL，美國(guó)能源部。
3D 打印具有復(fù)雜幾何形狀的無(wú)缺陷鎢零件
盡管鎢具有耐高溫的能力，但制造復(fù)雜的鎢部件卻是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程。值得注意的是，純鎢很脆，在室溫下很容易破碎。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，ORNL 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種電子束 3D 打印機(jī)，它可以將鎢逐層沉積成精確而復(fù)雜的 3D 幾何形狀。
該系統(tǒng)利用磁力引導(dǎo)的真空粒子流將鎢粉熔化并粘合成固體金屬物體。由于采用高真空外殼，電子束 3D 打印機(jī)可減少異物污染并限制殘余應(yīng)力的形成。
這項(xiàng)研究是美國(guó)能源部通過(guò)開(kāi)發(fā)核聚變等新型可再生能源推動(dòng)清潔能源發(fā)展的努力的一部分。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室此前曾利用增材制造技術(shù)來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)有核能應(yīng)用的技術(shù)。
2020 年，ORNL宣布為位于阿拉巴馬州的田納西河谷管理局( TVA) 布朗斯費(fèi)里核電站提供3D
打印燃料組件支架。這些組件是與核燃料供應(yīng)商Framatome合作開(kāi)發(fā)的，是
ORNL轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆(TCR)計(jì)劃的一部分。該計(jì)劃旨在探索在美國(guó)境內(nèi)更快、更便宜地分配核能的機(jī)會(huì)。
TCR 計(jì)劃還見(jiàn)證了 ORNL 開(kāi)發(fā)3D 打印核反應(yīng)堆堆芯。通過(guò)該項(xiàng)目，ORNL 尋求建立反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、制造、許可和運(yùn)行的新方法。
2020 年，該團(tuán)隊(duì)展示了反應(yīng)堆堆芯的設(shè)計(jì)，擴(kuò)大了建造反應(yīng)堆堆芯所需的增材制造技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了確認(rèn) 3D 打印組件一致性和可靠性的方法。
△ORNL 的 3D 打印燃料組件支架，也是首個(gè)被放入核電站的 3D 打印安全相關(guān)部件。照片來(lái)自 Fred List/ORNL、美國(guó)能源部。
3D打印助力可再生能源行業(yè)
增材制造正得到日益廣泛的應(yīng)用，以支持全球擺脫傳統(tǒng)不可再生能源、采用更環(huán)保的替代能源的努力。
此前，通用電氣的風(fēng)力渦輪機(jī)制造部門(mén)GE可再生能源投資了建筑 3D 打印專(zhuān)家COBOD，以幫助推動(dòng)這一可再生能源轉(zhuǎn)型。這項(xiàng)投資擴(kuò)大了兩家公司之前的合作，此前他們?cè)餐_(kāi)發(fā)3D 打印的“創(chuàng)紀(jì)錄高度”風(fēng)力渦輪機(jī)塔。
△ 3D 打印的風(fēng)力發(fā)電塔原型基座
此外，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL) 的研究人員開(kāi)發(fā)了一種利用再生樹(shù)脂3D 打印風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的新工藝。據(jù)稱(chēng)，為了提高葉片的性能和報(bào)廢后的可回收性，3D 打印工藝使用了可熔化和重復(fù)使用的熱塑性塑料。
為了證明這種方法的有效性，工程師們制造了一個(gè) 13 米長(zhǎng)的原型。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一過(guò)程可以為制造商帶來(lái)成本和速度的提升。研究人員指出，3D 打印可以將渦輪葉片的重量和成本降低 10%，并將交貨時(shí)間縮短 15%。
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