為大型強子對撞機提供-40℃，3DS金屬機3D列印鈦冷卻組件

2020-12-04 南極熊3d列印網

2020年12月3日，南極熊獲悉，3D印表機製造商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，為大型強子對撞機（LHC）製作3D列印冷卻組件。


他們使用3D Systems公司生產的DMP Flex 350 PBF系統列印了一套定製的鈦冷卻棒，用於粒子碰撞檢測實驗，如果不使用3D列印那麼這些零件將無法製造。3D Systems也因為這一貢獻在2019年末被授予LHCb行業獎。


△3D列印的鈦金屬冷卻棒，3D Systems拍攝


LHC中的-40℃環境


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公裡，可以在四個光束交叉點進行碰撞觀察，每個交叉點都包含先進的大粒子探測器。


在LHC beauty（LHCb）實驗的檢測部分，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時間從而進行研究。這個檢測條的寬度小於2mm，需要鈦製冷卻棒來為其執行冷卻。鑑於冷卻棒必須在非常有限的空間內均勻地散發大量熱量，因此設計的精度和效率至關重要。


他們最初提出的設計無法使用常規方法製造。為了使效率最大化，這些冷卻棒在內部和外部冷卻劑之間所需的材料最少，因此0.25mm的壁厚至關重要。不幸的是，事實證明，這種規格對於長度263mm的棒材很難加工。


△大型強子對撞機，圖片來自CERN


3D列印鈦合金冷卻棒


經過嚴格的反覆試驗階段，CERN最終選擇3D Systems及金屬增材製造技術。歐洲核子研究中心（CERN）LHCb實驗項目負責人Antonio Pellegrino指出：「在一些可能的公司中，我們選擇了3D Systems，他們的工程師能夠將我們的設計轉化為可以生產的產品。 」


CERN團隊與3D Systems的應用工程師合作，將冷卻棒設計修改為可3D列印，同時保留了精確功能。最終實現了0.25mm的壁厚，以及由3D Systems的高強度LaserForm Ti Gr23粉末製成的密封幾何形狀。最終設計包括焊接在一起的鏡面A和B組件，並且需要最少的手動組裝。棒料也經過重新設計，具有平行的冷卻通道，可確保在後處理過程中100％去除粉末。


根據一系列壓力測試的結果，團隊預計這些組件至少可以使用十年。由於幾乎不需要組裝，並且使用一種材料以優化的形式創建了零部件，壽命會更長。


△3D Systems因對LHCb實驗的成功升級做出的貢獻而榮獲2019 LHCb工業獎，3D Systems拍攝

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