Le immagini del collimatore “Frankenstein design” stampato in 3D mostrano le “cicatrici” in cui le singole parti sono unite, che sono chiaramente visibili a destra. Crediti: Genevieve Martin/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
I collimatori sono componenti importanti utilizzati nella diffusione dei neutroni. Similmente ai raggi X, i neutroni vengono utilizzati per studiare l’energia e la materia su scala atomica. I collimatori di neutroni possono essere pensati come imbuti che aiutano a guidare i neutroni verso un rilevatore dopo aver interagito con i materiali campione sperimentali. Questi imbuti servono principalmente a ridurre il numero di neutroni vaganti che interferiscono con la raccolta dei dati, ad esempio i neutroni che si disperdono dai contenitori dei campioni o da altri apparati utilizzati nell’esperimento come le celle ad alta pressione.
Durante questo processo, la maggior parte dei neutroni indesiderati, quelli diffusi da strutture diverse dal campione, entrano nei canali all’interno dei collimatori ad angoli dispari e vengono assorbiti dalle pareti dei canali, chiamate anche lame. Le lame agiscono come i canali di scolo su una pista da bowling, che catturano le palle da bowling che non sono dirette verso i birilli.
“La tendenza della ricerca verso l’utilizzo di campioni di materiali più piccoli in ambienti più complessi si traduce in un numero maggiore di neutroni che non interagiscono con il campione e non si diffondono dal campione”, ha affermato Fahima Islam, quello dello studio autore principale e scienziato di neutronica presso la Spallation Neutron Source dell’ORNL, o SNS. “Questi neutroni indesiderati producono firme indesiderate nei dati, motivo per cui stavamo lavorando per produrre un collimatore stampato in 3D che potesse essere progettato su misura per filtrare queste caratteristiche di fondo indesiderate durante diversi tipi di esperimenti di diffusione dei neutroni”.
Il team ha collaborato con gli esperti del Manufacturing Demonstration Facility, o MDF, dell’ORNL, per utilizzare un metodo di stampa 3D chiamato binder jetting. Questo processo di produzione additiva costruisce parti e strumenti da materiali in polvere. Simile alla stampa su carta, il processo di precisione costruisce la parte strato dopo strato, sulla base di un disegno digitale, fino al completamento dell’oggetto.
Un ostacolo che il team ha dovuto affrontare è stato quello di aumentare le dimensioni del collimatore stampato mantenendo la precisione del prodotto finito. Era necessario un collimatore di grandi dimensioni per catturare un numero maggiore di neutroni diffusi dal campione e dalla complessa cella di pressione scelta per il test. In un ambiente pressurizzato, il campione è racchiuso in un contenitore non trasparente, che provoca una forte dispersione di un numero significativo di neutroni indesiderati in un modo che può dominare il segnale dati più debole che gli scienziati stanno cercando.
“Per dimostrare la fattibilità dell’utilizzo di collimatori stampati in 3D personalizzati, abbiamo deciso di utilizzare un campione molto piccolo contenuto in una cella a incudine di diamante, una camera ad alta pressione che utilizza i diamanti per spremere i materiali. Alcune di queste cellule sono così complesse e forti che sono in grado di produrre pressioni che si avvicinano a quelle del centro della Terra”, ha detto Bianca Haberl, autrice corrispondente dello studio e scienziata della SNS. “In effetti, le celle ad alta pressione sono alcuni degli ambienti più complessi utilizzati negli esperimenti sui neutroni, quindi è una vera sfida filtrare l’enorme quantità di dispersione cellulare indesiderata che producono”.
I principi scientifici per la progettazione dei collimatori sono generalmente ben compresi, quindi il primo tentativo del team di stampare in 3D un collimatore per un campione così piccolo prevedeva semplicemente di aumentare le dimensioni della parte stampata mantenendo le lame continue, fronte-retro, che formano i canali. La stampante 3D a getto legante ha consentito di stampare la versione monopezzo con dimensioni di circa 12 x 9 x 9 pollici, massimizzando la capacità di indirizzare i neutroni verso il rilevatore pur rimanendo inseriti nello strumento.
Sfortunatamente, le complessità nell’ingrandimento del processo di stampa 3D hanno compromesso la precisione della parte stampata a un livello tale da non essere adatta all’uso sulla linea di luce.
“Il semplice ridimensionamento della stampa come una grande parte con lame continue non era chiaramente fattibile senza un’ulteriore ottimizzazione del processo di stampa”, ha affermato Garrett Granroth, coautore e scienziato della diffusione di neutroni presso SNS. “Successivamente è stato sviluppato un nuovo concetto per stampare più parti più piccole e quindi assemblarle manualmente in un collimatore completo. Il motivo principale per utilizzare pezzi più piccoli è che la fessurazione osservata nel design a parte singola era dovuta principalmente alle variazioni nella velocità di contrazione del materiale durante il processo di indurimento e raffreddamento. Riducendo le dimensioni complessive, le singole parti si sono raffreddate in modo più uniforme”.
È stato invece utilizzato un design a lame alternate con lame progressivamente più strette, dall’estremità rivolta verso il campione fino all’estremità rivolta verso il rilevatore. Questa configurazione ha consentito una maggiore densità di pale con dimensioni di canale ridotte ed ha evitato alcune limitazioni della stampa 3D legate alle dimensioni. Garantendo che le lame non attraversassero il confine tra le singole parti, il progetto era meno sensibile al disallineamento tra i pezzi durante l’assemblaggio.
Utilizzando questo approccio, il team ha ottimizzato le prestazioni del collimatore simulando l’intero esperimento utilizzando metodi computazionali avanzati sviluppati per il progetto. La simulazione ha prodotto un progetto che poteva andare direttamente in produzione senza ulteriore ingegneria.
Il collimatore a lame alternate stampato in 3D è stato valutato per le prestazioni su SNAP, Spallation Neutron and Pressure beamline, un diffrattometro di neutroni ad alta pressione dedicato. Gli esperimenti hanno rivelato un’estrema sensibilità all’allineamento del collimatore, sottolineando la necessità di una precisione ultraelevata nella produzione del collimatore e nel posizionamento sulla linea di luce.
Una volta allineato con precisione, il collimatore ha consentito l’aumento desiderato del relativo segnale del campione rispetto alla dispersione delle cellule, dimostrando il concetto. Gli scienziati hanno inoltre identificato aree per futuri perfezionamenti, compresi ulteriori miglioramenti attraverso un controllo di qualità della produzione più rigoroso e un migliore allineamento. Combinando la modellazione e la produzione avanzata, lo studio ha identificato un nuovo mezzo per personalizzare la strumentazione di diffusione dei neutroni e far progredire la scienza dei neutroni.
SNS è una struttura utente del DOE Office of Science. L’MDF, supportato dall’Ufficio per i materiali avanzati e le tecnologie di produzione del DOE, è un consorzio nazionale di collaboratori che lavora con ORNL per innovare, ispirare e catalizzare la trasformazione del settore manifatturiero statunitense.
L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Office of Science del DOE, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita Energy.gov/science.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
[…] Il “design Frankenstein” consente il collimatore di neutroni stampato in 3D […]