為大型強(qiáng)子對撞機(jī)提供-40℃環(huán)境，3D Systems金屬機(jī)3D打印鈦冷卻組件

2020年12月3日，南極熊獲悉，3D打印機(jī)制造商3D Systems與歐洲核研究組織（CERN）、荷蘭國家亞原子物理研究所（Nikkef）合作，為大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）制作3D打印冷卻組件。

他們使用3D Systems公司生產(chǎn)的DMP Flex 350 PBF系統(tǒng)打印了一套定制的鈦冷卻棒，用于粒子碰撞檢測實(shí)驗(yàn)，如果不使用3D打印那么這些零件將無法制造。3D Systems也因?yàn)檫@一貢獻(xiàn)在2019年末被授予LHCb行業(yè)獎。

△3D打印的鈦金屬冷卻棒，3D Systems拍攝

LHC中的-40℃環(huán)境

LHC是世界上最大的粒子加速器，CERN使用它來研究高能粒子碰撞。它的長度為27公里，可以在四個光束交叉點(diǎn)進(jìn)行碰撞觀察，每個交叉點(diǎn)都包含先進(jìn)的大粒子探測器。

在LHC beauty（LHCb）實(shí)驗(yàn)的檢測部分，必須將一條長140m的光子檢測條冷卻至-40°C，以保持足夠長的反應(yīng)時間從而進(jìn)行研究。這個檢測條的寬度小于2mm，需要鈦制冷卻棒來為其執(zhí)行冷卻。鑒于冷卻棒必須在非常有限的空間內(nèi)均勻地散發(fā)大量熱量，因此設(shè)計的精度和效率至關(guān)重要。

他們最初提出的設(shè)計無法使用常規(guī)方法制造。為了使效率最大化，這些冷卻棒在內(nèi)部和外部冷卻劑之間所需的材料最少，因此0.25mm的壁厚至關(guān)重要。不幸的是，事實(shí)證明，這種規(guī)格對于長度263mm的棒材很難加工。

△大型強(qiáng)子對撞機(jī)，圖片來自CERN

3D打印鈦合金冷卻棒

經(jīng)過嚴(yán)格的反復(fù)試驗(yàn)階段，CERN最終選擇3D Systems及金屬增材制造技術(shù)。歐洲核子研究中心（CERN）LHCb實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Antonio Pellegrino指出：“在一些可能的公司中，我們選擇了3D Systems，他們的工程師能夠?qū)⑽覀兊脑O(shè)計轉(zhuǎn)化為可以生產(chǎn)的產(chǎn)品。 ”

CERN團(tuán)隊與3D Systems的應(yīng)用工程師合作，將冷卻棒設(shè)計修改為可3D打印，同時保留了精確功能。最終實(shí)現(xiàn)了0.25mm的壁厚，以及由3D Systems的高強(qiáng)度LaserForm Ti Gr23粉末制成的密封幾何形狀。最終設(shè)計包括焊接在一起的鏡面A和B組件，并且需要最少的手動組裝。棒料也經(jīng)過重新設(shè)計，具有平行的冷卻通道，可確保在后處理過程中100％去除粉末。

根據(jù)一系列壓力測試的結(jié)果，團(tuán)隊預(yù)計這些組件至少可以使用十年。由于幾乎不需要組裝，并且使用一種材料以優(yōu)化的形式創(chuàng)建了零部件，壽命會更長。

△3D Systems因?qū)�LHCb實(shí)驗(yàn)的成功升級做出的貢獻(xiàn)而榮獲2019 LHCb工業(yè)獎，3D Systems拍攝

編譯自：3dprintingindustry