Revolutionizing Energy Technologies: 3D Printing Perfect Tungsten Parts

Complex geometries and extreme environments have always posed a challenge when it comes to manufacturing tungsten parts. However, researchers at the Oak Ridge National Laboratory (ORNL) have made a groundbreaking achievement by 3D printing defect-free tungsten parts with complex geometries. Using electron-beam additive manufacturing at ORNL’s Manufacturing Demonstration Facility (MDF), these tungsten parts are the first of their kind.

Tungsten, known for its high melting point, is ideal for applications in fusion energy. Fusion reactors operate at temperatures above 180 million degrees Fahrenheit, far exceeding the sun’s core temperature of 27 million degrees Fahrenheit. Thus, the 3D printed parts offer significant potential for clean energy technologies.

Michael Kirka, Group Leader of the Deposition Science and Technology Group at ORNL, believes that electron-beam additive manufacturing holds promise for the production of complex tungsten geometries. This breakthrough paves the way for temperature-resistant metals to be utilized in energy resources, supporting a sustainable and carbon-free future.

To overcome the challenges of working with brittle tungsten, the ORNL team developed an electron-beam 3D printer capable of depositing tungsten layer by layer into precise and complex 3D geometries. The process utilizes a magnetically directed stream of particles in a vacuum to melt and bind tungsten powder, resulting in solid-metal objects. The high-vacuum enclosure ensures minimal contamination and limits residual stress formation.

This research aligns with the Department of Energy’s (DoE) commitment to advancing clean energy and developing renewable sources like nuclear fusion. ORNL has previously utilized additive manufacturing to enhance technology for established nuclear energy applications. For instance, they 3D printed fuel assembly brackets for the Tennessee Valley Authority’s Browns Ferry Nuclear Plant.

Additive manufacturing is gaining traction to support the global transition towards renewable energy sources. Notably, GE Renewable Energy has invested in construction-3D printing specialist COBOD to develop 3D printed wind turbine towers. Additionally, the U.S. National Renewable Energy Laboratory (NREL) has pioneered a novel process for 3D printing wind turbine blades using recycled resin, aiming to improve performance and recyclability.

With such advancements in 3D printing, the energy sector is witnessing a revolution that holds great promise for a greener and more sustainable future. As technology continues to evolve, we can expect even more groundbreaking applications in the near future.

Komplexe Geometrien und extreme Umgebungen waren schon immer eine Herausforderung bei der Herstellung von Wolframteilen. Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben jedoch einen bahnbrechenden Durchbruch erzielt, indem sie fehlerfreie Wolframteile mit komplexen Geometrien im 3D-Druck herstellen. Mit Hilfe des additiven Fertigungsverfahrens mit Elektronenstrahlauftragung im Manufacturing Demonstration Facility (MDF) des ORNL sind diese Wolframteile die ersten ihrer Art.

Wolfram, bekannt für seinen hohen Schmelzpunkt, eignet sich ideal für Anwendungen in der Fusionstechnologie. Fusionsreaktoren arbeiten bei Temperaturen über 180 Millionen Grad Fahrenheit und übertreffen damit bei weitem die Kerntemperatur der Sonne von 27 Millionen Grad Fahrenheit. Die im 3D-Druck hergestellten Teile bieten somit ein erhebliches Potenzial für saubere Energietechnologien.

Michael Kirka, Leiter der Gruppe Deposition Science and Technology Group am ORNL, ist der Meinung, dass die Elektronenstrahlauftragung vielversprechend für die Herstellung komplexer Wolframgeometrien ist. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für temperaturbeständige Metalle, die in Energieressourcen verwendet werden können und eine nachhaltige und kohlenstofffreie Zukunft unterstützen.

Um die Herausforderungen bei der Verarbeitung des spröden Wolframs zu überwinden, hat das ORNL-Team einen 3D-Drucker mit Elektronenstrahlauftragung entwickelt, der in der Lage ist, Wolfram Schicht für Schicht in präzise und komplexe 3D-Geometrien abzuscheiden. Der Prozess nutzt einen magnetisch gesteuerten Partikelstrahl in einem Vakuum, um Wolframpulver zu schmelzen und zu binden, was zu metallischen Objekten führt. Der Hochvakuumbehälter gewährleistet minimale Kontamination und begrenzt die Bildung von Restspannungen.

Diese Forschung steht im Einklang mit dem Engagement des Department of Energy (DoE) für die Förderung sauberer Energie und die Entwicklung erneuerbarer Quellen wie der Kernfusion. Das ORNL hat bereits additive Fertigungstechnologien genutzt, um die Technologie für etablierte nukleare Energieanwendungen zu verbessern. Beispielsweise haben sie 3D-gedruckte Brennstoffkombinationshalterungen für das Kernkraftwerk Browns Ferry der Tennessee Valley Authority hergestellt.

Die additive Fertigung gewinnt zunehmend an Bedeutung, um den globalen Übergang zu erneuerbaren Energiequellen zu unterstützen. Insbesondere hat GE Renewable Energy in den 3D-Druck-Spezialisten COBOD investiert, um 3D-gedruckte Türme für Windkraftanlagen zu entwickeln. Darüber hinaus hat das US National Renewable Energy Laboratory (NREL) einen neuartigen Prozess zur 3D-Druck von Windkraftanlagenflügeln auf Basis recycelten Harzes entwickelt, um Leistung und Recyclingfähigkeit zu verbessern.

Mit solchen Fortschritten im 3D-Druck erlebt der Energiesektor eine Revolution, die große Hoffnungen für eine grünere und nachhaltigere Zukunft birgt. Mit der fortschreitenden Technologieentwicklung können wir in naher Zukunft noch mehr bahnbrechende Anwendungen erwarten.

Key Terms:
– Tungsten (Wolfram): Ein Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, das sich für Anwendungen in der Energieerzeugung eignet.
– Electron-beam additive manufacturing (Elektronenstrahlauftragung): Ein 3D-Druckverfahren unter Verwendung eines Elektronenstrahls, um Metallteile herzustellen.

Related Links:
GE Renewable Energy
U.S. National Renewable Energy Laboratory (NREL)
Oak Ridge National Laboratory (ORNL)