ORNL首次3D打印出復雜無缺陷鎢構件，屬世界首創(chuàng)

2024年6月1日，南極熊獲悉，美國能源部(DoE)橡樹嶺國家實驗室(ORNL)宣布,他們第一次成功3D打印出復雜且無缺陷的鎢構件,這在"全世界范圍內"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打印技術制造出復雜形狀的鎢構件。但ORNL的研究人員通過優(yōu)化打印工藝,最終實現(xiàn)了這一目標。

這些鎢部件是在 ORNL 的制造示范設施(MDF)中使用電子束增材制造技術生產的，據(jù)說是同類產品中的首例。據(jù) ORNL 團隊稱，這一成就為清潔能源技術（如聚變能源）提供了巨大的潛力。

3D 打印部件專為極端環(huán)境而設計，鎢的熔點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堆，其中等離子體的溫度可以達到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 沉積科學與技術組組長Michael Kirka 評論道：“電子束增材制造對于復雜鎢幾何形狀的加工很有前景。這是擴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，但制造復雜的鎢部件卻是一項具有挑戰(zhàn)性的過程。值得注意的是，純鎢很脆，在室溫下很容易破碎。

為了解決這個問題，ORNL 團隊開發(fā)了一種電子束 3D 打印機，它可以將鎢逐層沉積成精確而復雜的 3D 幾何形狀。

該系統(tǒng)利用磁力引導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 打印機可減少異物污染并限制殘余應力的形成。

這項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清潔能源發(fā)展的努力的一部分。橡樹嶺國家實驗室此前曾利用增材制造技術來增強現(xiàn)有核能應用的技術。

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商Framatome合作開發(fā)的，是 ORNL轉型挑戰(zhàn)反應堆(TCR)計劃的一部分。該計劃旨在探索在美國境內更快、更便宜地分配核能的機會。

TCR 計劃還見證了 ORNL 開發(fā)3D 打印核反應堆堆芯。通過該項目，ORNL 尋求建立反應堆設計、制造、許可和運行的新方法。

2020 年，該團隊展示了反應堆堆芯的設計，擴大了建造反應堆堆芯所需的增材制造技術，并開發(fā)了確認 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，也是首個被放入核電站的 3D 打印安全相關部件。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，通用電氣的風力渦輪機制造部門GE可再生能源投資了建筑 3D 打印專家COBOD，以幫助推動這一可再生能源轉型。這項投資擴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)紀錄高度”風力渦輪機塔。

△ 3D 打印的風力發(fā)電塔原型基座

此外，美國國家可再生能源實驗室(NREL) 的研究人員開發(fā)了一種利用再生樹脂3D 打印風力渦輪機葉片的新工藝。據(jù)稱，為了提高葉片的性能和報廢后的可回收性，3D 打印工藝使用了可熔化和重復使用的熱塑性塑料。

為了證明這種方法的有效性，工程師們制造了一個 13 米長的原型。該團隊認為，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%，并將交貨時間縮短 15%。