3D-Druck innoviert die Neutronenforschung mit einem „Frankenstein-Design“-Kollimator
Im Bereich der Neutronenforschung hängt die Entschlüsselung der Geheimnisse von Materialien auf atomarer Ebene von präzisen Werkzeugen ab. Forschern des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ist ein Durchbruch in diesem Bereich gelungen, indem sie einen neuartigen Ansatz für die Entwicklung von Neutronenkollimatoren durch 3D-Druck entwickelt haben. Diese wichtigen Komponenten ermöglichen die Neutronenkollimation, einen entscheidenden Schritt in Neutronenstreuexperimenten, der es Wissenschaftlern ermöglicht, Materialien auf atomarer Ebene zu untersuchen. Diese neue Methode nutzt fortschrittliche 3D-Drucktechniken, um hochpräzise, mehrteilige Kollimatoren zu erstellen und so die Einschränkungen zu überwinden, die bei herkömmlichen einteiligen Designs auftreten.
Bislang war die Herstellung eines einteiligen Kollimators mit erheblichen Hürden verbunden. Ein Expertenteam unter der Leitung von Fahima Islam, Neutronenforscherin an der Spallationsneutronenquelle des ORNL, entdeckte jedoch eine neuartige Lösung, die sie als „Frankenstein-Design“-Strategie bezeichnen. Anstatt zu versuchen, eine große monolithische Struktur herzustellen, entschied sich das Team stattdessen für den 3D-Druck mehrerer Komponenten, die dann leicht zu einem zusammenhängenden Kollimator zusammengesetzt werden konnten.
Das Team hinter dem „Frankenstein Design“-Kollimator: Fahima Islam, Bianca Haberl and Garrett Granroth
Kollimatoren, die in ihrer Funktion speziellen Trichtern ähneln, sind von entscheidender Bedeutung, um Neutronen zu den Detektoren zu leiten und zu filtern und so unerwünschte Störungen während der Experimente zu minimieren. Neutronen, die nicht mit dem Probenmaterial interagieren oder an Oberflächen streuen, können Daten verzerren und erfordern eine präzise Kollimation, um die gewünschten Signale zu isolieren. Ein vollständig anpassbarer, 3D-gedruckter Kollimator kann die erforderliche verbesserte Genauigkeit bieten. Zu den Auswirkungen der ungefilterten Neutronen erklärte Islam: „Diese unerwünschten Neutronen erzeugen unerwünschte Signaturen in den Daten, weshalb wir an der Herstellung eines 3D-gedruckten Kollimators gearbeitet haben, der individuell gestaltet werden kann, um diese unerwünschten Hintergrundmerkmale bei verschiedenen Arten von Neutronenstreuexperimenten herauszufiltern.“ Um diese Präzision zu erreichen, setzte das Team der ORNL Manufacturing Demonstration Facility 3D-Drucker mit Binder Jetting ein. Dieser Ansatz erwies sich als perfekt geeignet, da er sowohl die Flexibilität als auch die Fähigkeit bot, die komplizierten Designs und komplexen Formen zu erstellen, die für eine effiziente Kollimation erforderlich sind.
Eine große Herausforderung bei der Herstellung eines einteiligen Kollimators ist die Vergrößerung des Teils unter Beibehaltung der Maßhaltigkeit. Bei Experimenten in Hochdruckumgebungen wird der Bedarf an größeren Kollimatoren deutlich, um gestreute Neutronen effektiv einzufangen. Herkömmliche Skalierungsmethoden erweisen sich jedoch als unzureichend, da größere Kollimatoren weniger genaue Daten liefern und bei Experimenten leicht brechen können. Daher hat das Team den 3D-Druck als Alternative erforscht. Garrett Granroth, Wissenschaftler für Neutronenstreuung bei SNS äußerte sich folgendermaßen:„Eine einfache Skalierung des Drucks als ein großes Teil mit durchgehenden Klingen war ohne weitere Optimierung des Druckprozesses eindeutig nicht möglich. Der Hauptgrund für die Verwendung kleinerer Teile ist, dass die bei dem einteiligen Design beobachtete Rissbildung in erster Linie auf Schwankungen in der Kontraktionsrate des Materials während des Aushärtungs- und Abkühlungsprozesses zurückzuführen ist. Durch die Verringerung der Gesamtgröße kühlten die einzelnen Teile gleichmäßiger ab.“
Der Kollimator weist an den Verbindungsstellen der einzelnen 3D-gedruckten Teile sichtbare „Narben“ auf, die bei näherer Betrachtung deutlich werden.
Die Wirksamkeit des neuen Kollimator-Designs wurde an der Spallationsneutronen- und Druckstrahlführung des ORNL, einer Einrichtung für Hochdruckneutronenexperimente, bewertet. Nach Angaben des Forschungsteams waren die Ergebnisse beeindruckend und zeigten eine deutliche Verbesserung der erfassten Datenqualität. Mit Blick auf die Zukunft plant das Team von Islam, weitere Möglichkeiten zur Verbesserung ihres Designs zu finden, zum Beispiel eine strengere Qualitätskontrolle während der Herstellung und noch präzisere Ausrichtungsverfahren. Das Team ist überzeugt, dass dieses Projekt durch die Kombination von fortschrittlicher Modellierung und modernstem 3D-Druck nicht nur die Entwicklung von Instrumenten für Neutronenexperimente beeinflussen, sondern auch die Grenzen des Möglichen in der Neutronenforschung verschieben wird. Um mehr über dieses Projekt zu erfahren, klicken Sie HIER.
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*Alle Bildnachweise: Oak Ridge National Laboratory
