歐洲核子研究中心利用 3D Systems設(shè)備打印的冷卻系統(tǒng)提高粒子檢測(cè)能力

來(lái)源：3D Systems


挑戰(zhàn)
開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)可靠、密封的定制冷卻棒，以實(shí)現(xiàn)將大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)探測(cè)器內(nèi)的溫度冷確到 -40 ˚C。

解決方案
與 3D Systems 應(yīng)用工程師合作，優(yōu)化進(jìn)行增材制造的理想設(shè)計(jì)，并以鈦為材料采用 3D 打印進(jìn)行限量生產(chǎn)。

成效

• 0.25 毫米壁厚和經(jīng)確認(rèn)的密封性
• 部件整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平坦度精度達(dá)到 50 微米
• 設(shè)計(jì)和生產(chǎn)策略要確?？梢跃哂谐杀拘б娴姆绞絹?lái)生產(chǎn)復(fù)雜度較高的部件
• 2019 年 LHCb 工業(yè)獎(jiǎng)得主
  

在瑞士和法國(guó)兩國(guó)交界的山下一百米處，坐落著有史以來(lái)建造的最大、最強(qiáng)的粒子加速器：大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）。這一壯觀的設(shè)施由歐洲核子研究組織 (CERN) 用于開(kāi)展四項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)下的高能物理研究。

加速器全長(zhǎng) 27 公里，以使粒子快速加速，可觀察到的反應(yīng)發(fā)生在配備大型粒子探測(cè)器的四個(gè)束流交叉點(diǎn)處。在 LHCb 實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)體積內(nèi)，必須將一臺(tái)長(zhǎng)度長(zhǎng)且極其狹窄的條形光子探測(cè)器冷卻到 -40 ˚C，以維持反應(yīng)來(lái)開(kāi)展研究。該條形光子探測(cè)器大約長(zhǎng) 140 米，寬度不到兩毫米，固定在可實(shí)現(xiàn) 100% 冷卻的 3D 打印鈦冷卻棒上。

DMP金屬打印技術(shù)
這些冷卻棒是荷蘭國(guó)家亞原子物理研究所 Nikhef 與 3D Systems 客戶(hù)創(chuàng)新中心之間的合作成果，使用 3D Systems 的直接金屬打印 (DMP) 技術(shù)生產(chǎn)而成。3D Systems 因其在成功升級(jí)實(shí)驗(yàn)方面所做的貢獻(xiàn)而榮獲 2019 年 LHCb 工業(yè)獎(jiǎng)。

需要在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)-40℃冷卻
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)的粒子碰撞發(fā)生在探測(cè)器內(nèi)，而探測(cè)器是極為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以收集基本粒子屬性相關(guān)的信息?，F(xiàn)代探測(cè)器包括多層子探測(cè)器，其中還有揭示粒子路徑的跟蹤設(shè)備，例如 LHCb SciFi 跟蹤器（閃爍光纖的簡(jiǎn)稱(chēng)）。也可以通過(guò)其他子探測(cè)器系統(tǒng)來(lái)測(cè)量粒子的能量和輻射。

Antonio Pellegrino 就職于 Nikhef，同時(shí)也是 CERN 在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克 (LHCb) 實(shí)驗(yàn)中 SciFi 跟蹤器項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。他解釋說(shuō)，冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性是由以下幾個(gè)不可避免的因素造成的：容納冷卻棒的空間極其有限；需要在如此短小的空間內(nèi)消散的熱量；整個(gè)條形光子探測(cè)器上的溫度需要保持均勻；冷卻棒的平坦度必須能夠保持探測(cè)器的效率和分辨率?！翱紤]到這些因素，冷卻棒的構(gòu)建方式必須非常高效，”他說(shuō)道。

Nikhef 項(xiàng)目工程師 Rob Walet 在開(kāi)始開(kāi)發(fā)冷卻棒時(shí)，首先設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠完美滿(mǎn)足性能要求的部件?！斑@個(gè)設(shè)計(jì)非常精美，“Pellegrino 說(shuō)，“但不能以常規(guī)方式進(jìn)行生產(chǎn)?！彼璞诤袷鞘乖摬考某Ｒ?guī)制造變得復(fù)雜的一個(gè)主要問(wèn)題。要獲得最大效能，冷卻劑與待冷卻表面之間所隔的材料保持最少至關(guān)重要。由于冷卻棒的長(zhǎng)度僅 263 毫米，無(wú)法加工出所需的壁厚。

探索其他制造方式
在利用手工制作的原型開(kāi)展了早期實(shí)驗(yàn)之后，CERN 迅速確定了手工生產(chǎn)冷卻棒不切實(shí)際。手工生產(chǎn)不僅需要大量人工，而且以可重復(fù)生產(chǎn)的方式進(jìn)行制造并不容易。有了這種認(rèn)識(shí)之后，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究其他制造方法，并探索金屬 3D 打印的能力。

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下載塑料和金屬打印機(jī)

在流體動(dòng)力學(xué)部件上的應(yīng)用

合作對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以采用增材制造方式進(jìn)行生產(chǎn)
雖然 CERN 針對(duì)冷卻棒的最終功能優(yōu)化了冷卻棒的設(shè)計(jì)，但優(yōu)化未考慮到增材制造 (AM)。在意識(shí)到這一缺陷之后，CERN 決定選擇制造合作伙伴?！霸跒閿?shù)不多的潛在公司中，我們選擇了 3D Systems，原因是在我看來(lái)他們的工程師確實(shí)具備將我們的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為可生產(chǎn)物品的能力，”P(pán)ellegrino 表示。

CERN 利用 3D Systems 位于比利時(shí)魯汶的客戶(hù)創(chuàng)新中心 (CIC) 應(yīng)用工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)，加快其增材制造步伐。3D Systems CIC 設(shè)施遍布全球，擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，可為高科技、航天、醫(yī)療保健、運(yùn)輸和賽車(chē)運(yùn)動(dòng)市場(chǎng)的增材制造應(yīng)用提供支持。3D Systems CIC 可為處于任何階段的項(xiàng)目提供建議和幫助，從應(yīng)用開(kāi)發(fā)和前端工程設(shè)計(jì)，到設(shè)備驗(yàn)證、工藝驗(yàn)證、部件鑒定和生產(chǎn)。

3D Systems 擁有增材制造解決方案的制造商和用戶(hù)雙重身份，是應(yīng)用工程師與機(jī)械工程團(tuán)隊(duì)之間獨(dú)特反饋循環(huán)的良港。這種開(kāi)放式溝通推動(dòng) 3D Systems 軟件、硬件、材料和打印工藝的不斷完善，從而實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)備和更好的結(jié)果。

通過(guò)在設(shè)計(jì)、打印和測(cè)試的迭代方面展開(kāi)合作，CERN 的工程團(tuán)隊(duì)與 3D Systems 緊密協(xié)作，對(duì)冷卻棒的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，以使其同時(shí)滿(mǎn)足制造和最終功能的要求。

對(duì)冷卻棒的性能要求包括：

• 壁厚：該部件的一個(gè)主要規(guī)格是 0.25 毫米的壁厚。3D Systems DMP 打印機(jī)的高尺寸精度與 3D Systems 擁有的內(nèi)部專(zhuān)業(yè)知識(shí)共同實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，能夠根據(jù)鈦粉熔融池的穩(wěn)定性和寬度來(lái)調(diào)整激光參數(shù)。
• 密封性：對(duì)密封性的要求引導(dǎo)他們選擇了 LaserForm® TiGr23 材料，這是一種高強(qiáng)度鈦合金。3D Systems 專(zhuān)為該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的自定義參數(shù)集也幫助實(shí)現(xiàn)了此目標(biāo)。
• 平坦度：長(zhǎng)度為 263 毫米的冷卻棒，其平坦度精度必須達(dá)到 50 微米。3D Systems 應(yīng)用工程師運(yùn)用各種針對(duì)增材制造的設(shè)計(jì)策略和構(gòu)建策略建議（例如垂直打印方向）共同實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。
  

采用金屬增材制造可靠地制造
要有效實(shí)現(xiàn)超過(guò) 300 精度單位的最終訂單，優(yōu)化冷卻棒的設(shè)計(jì)以進(jìn)行生產(chǎn)非常重要。據(jù) Pellegrino 介紹，將 3D 打印用作生產(chǎn)方式，主要是看中其相對(duì)于組件極高復(fù)雜性的經(jīng)濟(jì)性，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)于最終應(yīng)用獲得成功所必需的罕見(jiàn)公差的能力。“我們需要一種能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)我們所需部件和性能的可靠方式，”P(pán)ellegrino 說(shuō)道。

除了擁有經(jīng) ISO 9001、ISO 13485 和 AS/EN9100 認(rèn)證的設(shè)施之外，3D Systems 還是質(zhì)量和性能至關(guān)重要的行業(yè)中數(shù)百個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用的合作伙伴。3D Systems 涵蓋從原型制造到生產(chǎn)的系統(tǒng)化過(guò)渡和擴(kuò)展方法，提供了一種獲得合格增材制造部件的簡(jiǎn)化途徑。

制造指導(dǎo)包括：
設(shè)計(jì)策略。冷卻棒最終設(shè)計(jì)為一組鏡像的 A、B 組件，兩個(gè)組件焊接在一起形成一個(gè)完整冷卻棒。這使得 CERN 能夠以最少組裝工作獲得所需的功能、尺寸和質(zhì)量。

打印方向。采用增材制造時(shí)，部件在建模平臺(tái)上的方向會(huì)影響對(duì)支撐物的要求。根據(jù) CERN 設(shè)計(jì)的幾何形狀，3D Systems 的工程師推薦采用垂直打印方向，以使部件能夠盡可能自支撐。

部件清潔。冷卻棒設(shè)計(jì)為具有平行冷卻通道，這種設(shè)計(jì)對(duì)于控制和確保完全去除粉末帶來(lái)了挑戰(zhàn)。根據(jù)其豐富的后處理經(jīng)驗(yàn)，3D Systems 能夠選擇清潔方案，確保件冷卻棒中的材料完全清除。


冷卻棒使用壽命
根據(jù)壓力測(cè)試，預(yù)計(jì)冷卻棒的使用壽命至少達(dá)到十年。雖然 Pellegrino 表示時(shí)間會(huì)證明一切，但他相信，憑借增材制造所能實(shí)現(xiàn)的局限條件組裝以及能夠以單一材料構(gòu)建優(yōu)化形式的能力，冷卻棒的可靠性會(huì)更高。