ORNL首次3D打印出復(fù)雜無缺陷鎢構(gòu)件，屬世界首創(chuàng)

2024年6月1日，南極熊獲悉，美國能源部(DoE)橡樹嶺國家實(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辟了新可能。鎢是一種極其難加工的材料,過去很難通過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)說是同類產(chǎn)品中的首例。據(jù) ORNL 團(tuán)隊(duì)稱，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。這比太陽中心的溫度高得多，太陽中心的溫度為 2700 萬華氏度。

ORNL 沉積科學(xué)與技術(shù)組組長Michael Kirka 評論道：“電子束增材制造對于復(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)、無碳的未來�！�

△3D 打印的復(fù)雜、無缺陷鎢部件。照片來自 Michaela Bluedorn/ORNL，美國能源部。

3D 打印具有復(fù)雜幾何形狀的無缺陷鎢零件

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)問題，ORNL 團(tuán)隊(duì)開發(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)研究是美國能源部通過開發(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。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室此前曾利用增材制造技術(shù)來增強(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)劃旨在探索在美國境內(nèi)更快、更便宜地分配核能的機(jī)會(huì)。

TCR 計(jì)劃還見證了 ORNL 開發(fā)3D 打印核反應(yīng)堆堆芯。通過該項(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。照片來自 Fred List/ORNL、美國能源部。

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GE可再生能源投資了建筑 3D 打印專家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，此前他們曾共同開發(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，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL) 的研究人員開發(fā)了一種利用再生樹脂3D 打印風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的新工藝。據(jù)稱，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 米長的原型。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一過程可以為制造商帶來成本和速度的提升。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%。