3D打印粒子加速器实验中的冷却器棒

在大型强子对撞机 （LHC）是一种用于欧洲核研究组织（粒子加速器CERN）在四个关键实验进行的高能物理研究。

圆形隧道的长度为27公里，可以使粒子以很高的速度加速。可观察到的反应发生在装有大粒子探测器的光束的四个碰撞点处。在LHCb实验的检测体积内，必须将长且非常狭窄的光检测条冷却至-40˚C，以保留反应进行研究。

该条长约140米，宽不到2毫米，连接到完全负责冷却操作的3D打印钛冷却剂条上。

冷却器棒是Nikhef，荷兰国家亚原子物理研究所和3D Systems客户创新中心合作的结果，是使用直接金属打印（DMP）技术制成的。由3D Systems提供。3D Systems对优化实验的贡献获得了LHCb行业奖2019。

Cern LHC粒子的碰撞发生在检测器内部，检测器是复杂的系统，可以收集有关粒子基本特性的信息。

现代检测器包括子检测器层，其中包括跟踪设备，例如SciFi LHCb跟踪器（SciFi是“闪烁纤维”的缩写），它揭示了粒子的路径。

通过其他子探测器系统，也可以测量粒子的能量和辐射。

Nikhef的安东尼奥·佩莱格里诺（Antonio Pellegrino）负责欧洲核子研究中心（CERN）的SciFi追踪器项目，该项目是大型强子对撞机美女（LHCb）实验的一部分，他解释说，冷却系统的复杂性是由几个不可避免的因素造成的：空间限制冷却棒必须适应的范围，必须在该空间内散发的热量，整个光电检测条整个长度上所需的温度均匀性以及保持效率所需的冷却棒的平坦度和探测器的分辨率。“所有这些因素的影响是需要以极其有效的方式构建冷却系统。”

Nikhef的项目工程师Rob Walet通过设计完全满足性能要求的零件开始开发冷却棒。根据佩莱格里诺（Pellegrino）的说法，该设计无法使用常规技术生产。根据常规方法使可制造性复杂的主要问题之一是所需的壁厚。为了确保最大的效率，重要的是在冷却液和要冷却的表面之间使用最少的材料，考虑到零件的长度（263 mm），不可能实现如此小的厚度。

经过手动原型的初步试验后，CERN迅速确定手动生产方法不切实际。除了要求较高的劳动强度外，很难实现可重复性。有了这种认识，团队开始研究其他选项并探索金属3D打印的功能。

尽管冷却棒的设计已经由CERN团队针对最终功能进行了优化，但尚未适应于增材制造。对这一差距的认识是CERN选择生产合作伙伴的决定因素。

欧洲核子研究组织（CERN）利用3D Systems位于比利时鲁汶的客户创新中心（CIC）的应用工程专业知识，加快了其增材制造的步伐。

通过设计，打印和测试的迭代和协作过程，CERN和3D Systems的工程团队密切合作，修改了冷却棒的设计，以满足生产和最终功能的要求。 

性能要求包括：

· 室壁厚度。该零件的关键规格之一是壁厚为0.25mm。这要归功于DMP机器的高尺寸精度以及3D Systems根据钛粉熔池的稳定性和宽度来调整激光参数的内部经验。

· 防水。防水要求导致选择了LaserForm TiGr23材料，一种高强度钛合金。3D Systems专为该项目开发的定制参数集也为实现该目标做出了贡献。

· 平面度。就平整度而言，要求在263mm的零件长度上具有50微米的精度。这是通过3D Systems的应用工程师采用的几种增材制造设计策略以及战略性建筑建议（例如垂直打印方向）实现的。

优化制造用冷却棒的设计对于有效完成300多个精密单元的最终订单至关重要。根据Pellegrino的说法，使用3D打印进行制造的主要优点是，与组件的极端复杂性相比，该过程具有成本效益，并且具有实现最终应用成功所必需的非凡公差的能力。

除了具有ISO 9001，ISO 13485和AS / EN 9100认证的设施之外，3D Systems还与质量和性能至关重要的行业中的数百个关键应用合作。3D Systems从原型到制造的过渡和扩展的系统方法，确保了获得适合增材制造的零件的简化途径。

生产支持包括：

· 设计策略。最终的冷却杆设计为一组镜面组件A和B，它们焊接在一起以形成一个完整的零件。这使CERN能够以最少的组装量达到所需的特性，尺寸和质量。

· 打印方向。使用增材制造时，零件在构建平台上的方向会影响支持要求。根据CERN设计的几何形状，3D Systems工程师建议垂直放置，以使零件能够获得最高水平的自主支持。

· 零件清洗。冷却杆的设计具有平行的冷却通道，这在控制和确保完全除尘方面可能是一个挑战。凭借其在后处理方面的丰富经验，3D Systems能够指定清洁方案，以确保从零件中完全清除材料。

根据压力测试，冷却棒的使用寿命至少应为十年。尽管前提是只有时间才能证实这一点，但佩莱格里诺认为，由于增材制造允许的组装减少以及使用单一材料构建优化形状的可能性，冷却杆将更加可靠。