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

來源：3D Systems


挑戰(zhàn)
開發(fā)并生產(chǎn)可靠、密封的定制冷卻棒，以實現(xiàn)將大型強(qiáng)子對撞機(jī)探測器內(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，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
• 部件整個長度范圍內(nèi)的平坦度精度達(dá)到 50 微米
• 設(shè)計和生產(chǎn)策略要確�？梢跃哂谐杀拘б娴姆绞絹砩�產(chǎn)復(fù)雜度較高的部件
• 2019 年 LHCb 工業(yè)獎得主
  

在瑞士和法國兩國交界的山下一百米處，坐落著有史以來建造的最大、最強(qiáng)的粒子加速器：大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）。這一壯觀的設(shè)施由歐洲核子研究組織 (CERN) 用于開展四項關(guān)鍵實驗下的高能物理研究。

加速器全長 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器的四個束流交叉點處。在 LHCb 實驗的檢測體積內(nèi)，必須將一臺長度長且極其狹窄的條形光子探測器冷卻到 -40 ˚C，以維持反應(yīng)來開展研究。該條形光子探測器大約長 140 米，寬度不到兩毫米，固定在可實現(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家亞原子物理研究所 Nikhef 與 3D Systems 客戶創(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 因其在成功升級實驗方面所做的貢獻(xiàn)而榮獲 2019 年 LHCb 工業(yè)獎。

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

Antonio Pellegrino 就職于 Nikhef，同時也是 CERN 在大型強(qiáng)子對撞機(jī)底夸克 (LHCb) 實驗中 SciFi 跟蹤器項目的負(fù)責(zé)人。他解釋說，冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性是由以下幾個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；整個條形光子探測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，”他說道。

Nikhef 項目工程師 Rob Walet 在開始開發(fā)冷卻棒時，首先設(shè)計了一個能夠完美滿足性能要求的部件�！斑@個設(shè)計非常精美，“Pellegrino 說，“但不能以常規(guī)方式進(jìn)行生產(chǎn)�！彼�需壁厚是使該部件的常規(guī)制造變得復(fù)雜的一個主要問題。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。由于冷卻棒的長度僅 263 毫米，無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展了早期實驗之后，CERN 迅速確定了手工生產(chǎn)冷卻棒不切實際。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)識之后，該團(tuán)隊開始研究其他制造方法，并探索金屬 3D 打印的能力。

長按二維碼，下載3D打印電子書

下載塑料和金屬打印機(jī)

在流體動力學(xué)部件上的應(yīng)用

合作對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以采用增材制造方式進(jìn)行生產(chǎn)
雖然 CERN 針對冷卻棒的最終功能優(yōu)化了冷卻棒的設(shè)計，但優(yōu)化未考慮到增材制造 (AM)。在意識到這一缺陷之后，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，原因是在我看來他們的工程師確實具備將我們的設(shè)計轉(zhuǎn)化為可生產(chǎn)物品的能力，”Pellegrino 表示。

CERN 利用 3D Systems 位于比利時魯汶的客戶創(chuàng)新中心 (CIC) 應(yīng)用工程專業(yè)知識，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)驗和技術(shù)，可為高科技、航天、醫(yī)療保健、運(yùn)輸和賽車運(yùn)動市場的增材制造應(yīng)用提供支持。3D Systems CIC 可為處于任何階段的項目提供建議和幫助，從應(yīng)用開發(fā)和前端工程設(shè)計，到設(shè)備驗證、工藝驗證、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雙重身份，是應(yīng)用工程師與機(jī)械工程團(tuán)隊之間獨特反饋循環(huán)的良港。這種開放式溝通推動 3D Systems 軟件、硬件、材料和打印工藝的不斷完善，從而實現(xiàn)更好的設(shè)備和更好的結(jié)果。

通過在設(shè)計、打印和測試的迭代方面展開合作，CERN 的工程團(tuán)隊與 3D Systems 緊密協(xié)作，對冷卻棒的設(shè)計進(jìn)行修改，以使其同時滿足制造和最終功能的要求。

對冷卻棒的性能要求包括：

• 壁厚：該部件的一個主要規(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)部專業(yè)知識共同實現(xiàn)了這一點，能夠根據(jù)鈦粉熔融池的穩(wěn)定性和寬度來調(diào)整激光參數(shù)。
• 密封性：對密封性的要求引導(dǎo)他們選擇了 LaserForm® TiGr23 材料，這是一種高強(qiáng)度鈦合金。3D Systems 專為該項目開發(fā)的自定義參數(shù)集也幫助實現(xiàn)了此目標(biāo)。
• 平坦度：長度為 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)用各種針對增材制造的設(shè)計策略和構(gòu)建策略建議（例如垂直打印方向）共同實現(xiàn)了這一點。
  

采用金屬增材制造可靠地制造
要有效實現(xiàn)超過 300 精度單位的最終訂單，優(yōu)化冷卻棒的設(shè)計以進(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，主要是看中其相對于組件極高復(fù)雜性的經(jīng)濟(jì)性，以及實現(xiàn)對于最終應(yīng)用獲得成功所必需的罕見公差的能力。“我們需要一種能夠同時實現(xiàn)我們所需部件和性能的可靠方式，”Pellegrino 說道。

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)化過渡和擴(kuò)展方法，提供了一種獲得合格增材制造部件的簡化途徑。

制造指導(dǎo)包括：
設(shè)計策略。冷卻棒最終設(shè)計為一組鏡像的 A、B 組件，兩個組件焊接在一起形成一個完整冷卻棒。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，部件在建模平臺上的方向會影響對支撐物的要求。根據(jù) CERN 設(shè)計的幾何形狀，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)計為具有平行冷卻通道，這種設(shè)計對于控制和確保完全去除粉末帶來了挑戰(zhàn)。根據(jù)其豐富的后處理經(jīng)驗，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)壓力測試，預(yù)計冷卻棒的使用壽命至少達(dá)到十年。雖然 Pellegrino 表示時間會證明一切，但他相信，憑借增材制造所能實現(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，冷卻棒的可靠性會更高。