3D列印｜3DP Tech News
歐洲核子研究中心利用 3D列印的冷卻系統
專案摘要與效實質益
挑戰
開發並生產可靠、密封的定製冷卻棒，以實現將大型強子對撞機探測器內的溫度冷確到 -40 ˚C。
解決方案
與 3D Systems 應用工程師合作，優化進行增材製造的理想設計，並以鈦為材料採用 3D 列印進行限量生產。
成效
0.25 毫米壁厚和經確認的密封性
部件整個長度範圍內的平坦度精度達到 50 微米
設計和生產策略要確保可以具有成本效益的方式來生產複雜度較高的部件
2019 年 LHCb 工業獎得主
簡介
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、最強的粒子加速器：大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）。這一壯觀的設施由歐洲核子研究組織 (CERN) 用於開展四項關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，可觀察到的反應發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，必須將一台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 100% 冷卻的 3D 列印鈦冷卻棒上。
DMP金屬列印技術
這些冷卻棒是荷蘭國家亞原子物理研究所 Nikhef 與 3D Systems 客戶創新中心之間的合作成果，使用 3D Systems 的直接金屬列印 (DMP) 技術生產而成。 3D Systems 因其在成功升級實驗方面所做的貢獻而榮獲 2019 年 LHCb 工業獎。
需要在有限空間內實現-40℃冷卻
大型強子對撞機內的粒子碰撞發生在探測器內，而探測器是極為複雜的系統，可以收集基本粒子屬性相關的信息。現代探測器包括多層子探測器，其中還有揭示粒子路徑的跟踪設備，例如 LHCb SciFi 跟踪器（閃爍光纖的簡稱）。也可以通過其他子探測器系統來測量粒子的能量和輻射。
Antonio Pellegrino 就職於 Nikhef，同時也是 CERN 在大型強子對撞機底夸克 (LHCb) 實驗中 SciFi 跟踪器項目的負責人。他解釋說，冷卻系統的複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。 “考慮到這些因素，冷卻棒的構建方式必須非常高效，”他說道。
Nikhef 項目工程師 Rob Walet 在開始開發冷卻棒時，首先設計了一個能夠完美滿足性能要求的部件。 “這個設計非常精美，“Pellegrino 說，“但不能以常規方式進行生產。”所需壁厚是使該部件的常規製造變得複雜的一個主要問題。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重要。由於冷卻棒的長度僅 263 毫米，無法加工出所需的壁厚。
探索其他製造方式
在利用手工製作的原型開展了早期實驗之後，CERN 迅速確定了手工生產冷卻棒不切實際。手工生產不僅需要大量人工，而且以可重複生產的方式進行製造並不容易。有了這種認識之後，該團隊開始研究其他製造方法，並探索金屬 3D 列印的能力。
雖然 CERN 針對冷卻棒的最終功能優化了冷卻棒的設計，但優化未考慮到增材製造 (AM)。在意識到這一缺陷之後，CERN 決定選擇製造合作夥伴。 “在為數不多的潛在公司中，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計轉化為可生產物品的能力，”Pellegrino 表示。
CERN 利用 3D Systems 位於比利時魯汶的客戶創新中心 (CIC) 應用工程專業知識，加快其增材製造步伐。 3D Systems CIC 設施遍布全球，擁有豐富的經驗和技術，可為高科技、航天、醫療保健、運輸和賽車運動市場的增材製造應用提供支持。 3D Systems CIC 可為處於任何階段的項目提供建議和幫助，從應用開發和前端工程設計，到設備驗證、工藝驗證、部件鑑定和生產。
3D Systems 擁有增材製造解決方案的製造商和用戶雙重身份，是應用工程師與機械工程團隊之間獨特反饋循環的良港。這種開放式溝通推動 3D Systems 軟件、硬件、材料和列印工藝的不斷完善，從而實現更好的設備和更好的結果。
通過在設計、列印和測試的迭代方面展開合作，CERN 的工程團隊與 3D Systems 緊密協作，對冷卻棒的設計進行修改，以使其同時滿足製造和最終功能的要求。
對冷卻棒的性能要求
壁厚：該部件的一個主要規格是 0.25 毫米的壁厚。 3D Systems DMP 列印機的高尺寸精度與 3D Systems 擁有的內部專業知識共同實現了這一點，能夠根據鈦粉熔融池的穩定性和寬度來調整激光參數。
密封性：對密封性的要求引導他們選擇了 LaserForm® TiGr23 材料，這是一種高強度鈦合金。 3D Systems 專為該項目開發的自定義參數集也幫助實現了此目標。
平坦度：長度為 263 毫米的冷卻棒，其平坦度精度必須達到 50 微米。 3D Systems 應用工程師運用各種針對增材製造的設計策略和構建策略建議（例如垂直列印方向）共同實現了這一點。
採用金屬增材製造可靠地製造
要有效實現超過 300 精度單位的最終訂單，優化冷卻棒的設計以進行生產非常重要。據 Pellegrino 介紹，將 3D 列印用作生產方式，主要是看中其相對於組件極高複雜性的經濟性，以及實現對於最終應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我們所需部件和性能的可靠方式，”Pellegrino 說道。
除了擁有經 ISO 9001、ISO 13485 和 AS/EN9100 認證的設施之外，3D Systems 還是質量和性能至關重要的行業中數百個關鍵應用的合作夥伴。 3D Systems 涵蓋從原型製造到生產的系統化過渡和擴展方法，提供了一種獲得合格增材製造部件的簡化途徑。
製造指導包括：
設計策略。冷卻棒最終設計為一組鏡像的 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、尺寸和質量。
列印方向。採用增材製造時，部件在建模平台上的方向會影響對支撐物的要求。根據 CERN 設計的幾何形狀，3D Systems 的工程師推薦採用垂直列印方向，以使部件能夠盡可能自支撐。
部件清潔。冷卻棒設計為具有平行冷卻通道，這種設計對於控制和確保完全去除粉末帶來了挑戰。根據其豐富的後處理經驗，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
根據壓力測試，預計冷卻棒的使用壽命至少達到十年。雖然 Pellegrino 表示時間會證明一切，但他相信，憑藉增材製造所能實現的局限條件組裝以及能夠以單一材料構建優化形式的能力，冷卻棒的可靠性會更高。
關於3D Systems
3D Systems提供全面的3D產品和服務，包括3D列印機、列印材料、雲計算按需定制部件和數字設計工具。公司的生態系統覆蓋了從產品設計到工廠車間的先進應用。 3D Systems精準的醫療解決方案包括模擬、虛擬手術規劃、醫療、牙科設備以及給患者定制的外科手術器械的列印。 3D Systems花費了30年的時間幫助專業人士和企業優化他們的設計、改造工作流程，將創新產品推向市場、驅動新的商業模式。
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