Durante experimentos de nêutrons no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia, os cientistas descobriram que os problemas que enfrentaram ao tentar imprimir em 3D um colimador de peça única poderiam ser resolvidos desenvolvendo um ‘projeto Frankenstein‘ com múltiplas partes do corpo unidas.
Colimadores são componentes importantes usados no espalhamento de nêutrons. Semelhante aos raios X, os nêutrons são usados para estudar energia e matéria em escala atômica. Os colimadores de nêutrons podem ser considerados funis que ajudam a guiar os nêutrons em direção a um detector depois de interagirem com materiais de amostras experimentais. Esses funis servem principalmente para reduzir o número de nêutrons dispersos que interferem na coleta de dados – por exemplo, nêutrons que se espalham pelos porta-amostras ou de outros aparelhos usados no experimento, como células de alta pressão.
Durante este processo, a maioria dos nêutrons indesejados – aqueles que se espalham por outras características que não a amostra – entram nos canais dentro dos colimadores em ângulos estranhos e são absorvidos pelas paredes do canal, também conhecidas como lâminas. As lâminas agem como calhas em uma pista de boliche, que capturam as bolas de boliche que não estão indo em direção aos pinos.
“A tendência da pesquisa para usar amostras menores de materiais em ambientes mais complexos resulta em um número maior de nêutrons que não interagiram com a amostra e não estão se espalhando pela amostra”, disse Fahima Islam, principal autor do estudo e cientista de nêutrons do Fonte de nêutrons de espalação (SNS) do ORNL. “Esses nêutrons indesejados produzem assinaturas indesejáveis nos dados, e é por isso que estávamos trabalhando para produzir um colimador impresso em 3D que pudesse ser projetado de forma personalizada para filtrar essas características de fundo indesejáveis durante diferentes tipos de experimentos de dispersão de nêutrons.”
A equipe colaborou com especialistas do Centro de Demonstração de Fabricação (MDF) do ORNL, usando jateamento de ligante – peças e ferramentas de construção a partir de materiais em pó.
Um obstáculo envolveu aumentar o tamanho do colimador impresso, mantendo a precisão do produto acabado. Um grande colimador foi necessário para capturar um maior número de nêutrons espalhados pela amostra e pela complexa célula de pressão escolhida para o teste. Num ambiente pressurizado, a amostra é encerrada num recipiente de amostra não transparente, o que faz com que um número significativo de nêutrons indesejados se espalhe fortemente de uma forma que pode dominar o sinal de dados mais fraco que os cientistas procuram.
“Para demonstrar a viabilidade do uso de colimadores impressos em 3D personalizados, decidimos usar uma amostra muito pequena contida em uma bigorna de diamante – uma câmara de alta pressão que usa diamantes para comprimir materiais. Algumas destas células são tão complexas e fortes que são capazes de produzir pressões próximas das do centro da Terra”, disse Bianca Haberl, autora correspondente do estudo e cientista de dispersão de neutrões no SNS. “Na verdade, as células de alta pressão são alguns dos ambientes mais complexos usados em experimentos de nêutrons, por isso é um verdadeiro desafio filtrar a enorme quantidade de dispersão celular indesejada que elas produzem.”
Os princípios científicos para projetar colimadores são geralmente bem compreendidos, por isso a primeira tentativa da equipe de imprimir um colimador em 3D para uma amostra tão pequena envolveu simplesmente aumentar o tamanho da peça impressa, mantendo as lâminas contínuas da frente para trás que formam os canais. A impressora 3D Binder Jet permitiu imprimir a versão de peça única em dimensões de cerca de 12 x 9 x 9 polegadas, o que maximizou a capacidade de direcionar nêutrons para o detector enquanto ainda se encaixava no instrumento.
Infelizmente, as complexidades na ampliação do processo de impressão 3D prejudicaram a precisão da peça impressa a tal ponto que não era adequada para uso na linha de luz.
“Simplesmente ampliar a impressão como uma peça grande com lâminas contínuas claramente não era viável sem otimizar ainda mais o processo de impressão”, disse Garrett Granroth, coautor e cientista de dispersão de nêutrons do SNS. “Um novo conceito foi posteriormente desenvolvido para imprimir múltiplas peças menores e depois montá-las manualmente em um colimador completo. A principal razão para a utilização de peças menores é que as fissuras observadas no projeto de peça única foram principalmente devidas a variações na taxa de contração do material durante o processo de cura e resfriamento. Ao reduzir seu tamanho total, as peças individuais resfriaram de maneira mais uniforme.”
Em vez disso, foi utilizado um design de lâmina alternativa com lâminas progressivamente mais apertadas, da extremidade voltada para a amostra até a extremidade voltada para o detector. Esta configuração permitiu uma maior densidade de lâminas com tamanhos de canal reduzidos e evitou algumas limitações de impressão 3D relacionadas ao tamanho. Ao garantir que as lâminas não cruzassem os limites entre as peças individuais, o projeto era menos sensível ao desalinhamento entre as peças durante a montagem.
Empregando esta abordagem, a equipe otimizou o desempenho do colimador simulando todo o experimento usando métodos computacionais avançados desenvolvidos para o projeto. A simulação produziu um projeto que poderia ir diretamente para produção sem engenharia adicional.
O colimador de lâmina alternativa impresso em 3D foi avaliado quanto ao desempenho no SNAP, a linha de luz Spallation Neutron and Pressure, um difratômetro de nêutrons de alta pressão dedicado. Os experimentos revelaram uma extrema sensibilidade ao alinhamento do colimador, enfatizando a necessidade de precisão ultra-alta na fabricação e posicionamento do colimador na linha de luz.
Uma vez alinhado com precisão, o colimador permitiu o aumento desejado no sinal relativo da amostra sobre a dispersão da célula – comprovando o conceito. Os cientistas também identificaram áreas para refinamento futuro, incluindo melhorias adicionais através de um controle de qualidade de fabricação mais rigoroso e melhor alinhamento. Ao combinar modelagem e fabricação avançada, o estudo identificou um novo meio de personalizar a instrumentação de dispersão de nêutrons e promover o avanço da ciência de nêutrons. Para saber mais sobre o colimador acesse o site.
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