近日，美国能源部(DoE)橡树岭国家实验室(ORNL)宣布,他们第一次成功3D打印出复杂且无缺陷的钨构件,这在"全世界范围内"都属首次。这一新突破为制造高性能金属零件开辟了新可能。钨是一种极其难加工的材料,过去很难通过3D打印技术制造出复杂形状的钨构件。但ORNL的研究人员通过优化打印工艺,最终实现了这一目标。
这些钨部件是在 ORNL 的制造示范设施(MDF)中使用电子束增材制造技术生产的，据说是同类产品中的首例。据 ORNL 团队称，这一成就为清洁能源技术（如聚变能源）提供了巨大的潜力。
3D 打印部件专为极端环境而设计，钨的熔点是所有金属中最高的。因此，这种材料非常适合用于聚变反应堆，其中等离子体的温度可以达到1.8亿华氏度以上。这比太阳中心的温度高得多，太阳中心的温度为 2700 万华氏度。
ORNL 沉积科学与技术组组长Michael Kirka 评论道：“电子束增材制造对于复杂钨几何形状的加工很有前景。这是扩大耐高温金属在能源资源中的使用的重要一步，将支持可持续、无碳的未来。”
△3D 打印的复杂、无缺陷钨部件。照片来自 Michaela Bluedorn/ORNL，美国能源部。
3D 打印具有复杂几何形状的无缺陷钨零件
尽管钨具有耐高温的能力，但制造复杂的钨部件却是一项具有挑战性的过程。值得注意的是，纯钨很脆，在室温下很容易破碎。
为了解决这个问题，ORNL 团队开发了一种电子束 3D 打印机，它可以将钨逐层沉积成精确而复杂的 3D 几何形状。
该系统利用磁力引导的真空粒子流将钨粉熔化并粘合成固体金属物体。由于采用高真空外壳，电子束 3D 打印机可减少异物污染并限制残余应力的形成。
这项研究是美国能源部通过开发核聚变等新型可再生能源推动清洁能源发展的努力的一部分。橡树岭国家实验室此前曾利用增材制造技术来增强现有核能应用的技术。
2020 年，ORNL宣布为位于阿拉巴马州的田纳西河谷管理局( TVA) 布朗斯费里核电站提供3D 打印燃料组件支架。这些组件是与核燃料供应商Framatome合作开发的，是 ORNL转型挑战反应堆(TCR)计划的一部分。该计划旨在探索在美国境内更快、更便宜地分配核能的机会。
TCR 计划还见证了 ORNL 开发3D 打印核反应堆堆芯。通过该项目，ORNL 寻求建立反应堆设计、制造、许可和运行的新方法。
2020 年，该团队展示了反应堆堆芯的设计，扩大了建造反应堆堆芯所需的增材制造技术，并开发了确认 3D 打印组件一致性和可靠性的方法。
△ORNL 的 3D 打印燃料组件支架，也是首个被放入核电站的 3D 打印安全相关部件。照片来自 Fred List/ORNL、美国能源部。
3D打印助力可再生能源行业
增材制造正得到日益广泛的应用，以支持全球摆脱传统不可再生能源、采用更环保的替代能源的努力。
此前，通用电气的风力涡轮机制造部门GE可再生能源投资了建筑 3D 打印专家COBOD，以帮助推动这一可再生能源转型。这项投资扩大了两家公司之前的合作，此前他们曾共同开发3D 打印的“创纪录高度”风力涡轮机塔。
△ 3D 打印的风力发电塔原型基座
此外，美国国家可再生能源实验室(NREL) 的研究人员开发了一种利用再生树脂3D 打印风力涡轮机叶片的新工艺。据称，为了提高叶片的性能和报废后的可回收性，3D 打印工艺使用了可熔化和重复使用的热塑性塑料。
为了证明这种方法的有效性，工程师们制造了一个 13 米长的原型。该团队认为，这一过程可以为制造商带来成本和速度的提升。研究人员指出，3D 打印可以将涡轮叶片的重量和成本降低 10%，并将交货时间缩短 15%。
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