欧洲核子研究组织3D打印250um薄壁的复杂高精度冷却回路阵列

2021-01-26 通宝 10

粒子加速器作为一种广泛应用于化学、物理和生物研究中的实验设备,一直是各国科学家研究的重点。当前世界上最大的粒子加速器——欧洲大型强子对撞机,位于瑞士和法国交界侏罗山地下100米的位置,环形隧道的长度达到27公里,横跨了瑞法两国边境。

在粒子对撞实验过程中,为了提高实验的分辨率,必须采用越来越敏感的传感器。而在最新的实验要求中,需要将一条长140m的光子检测条冷却至-40°C,才能提供所需的灵敏度。欧洲核子研究组织的设计和制造人员为此花费了数年时间,终于借助3D打印技术实现了技术要求。

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欧洲大型强子对撞机实验装置

-40°C冷却条件的极端设计要求

由于检测条的宽度小于2mm,冷却组件必须在非常有限的空间内均匀地散发大量热量,因此需要极高的设计精度和散热效率。在此背景下,欧洲核子研究组织与3D打印机制造商3D Systems以及荷兰国家亚原子物理研究所合作,采用3D打印技术制造了壁厚仅为250μm的复杂高精度冷却回路组件,成功提高了粒子的监测能力。

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44个冷却组件阵列

将长达140m的光子检测条均匀冷却,需要一个与传感器直接接触的冷却系统,它同时需要充当机械支撑,并具有微米级的精度。传感器的对准对于图像重建至关重要,否则会导致生成的照片变形。因此,冷却系统必须温度均匀,而且机械稳定性非常好,其精度是毫米级的数百倍。研究人员最初在尝试解决此问题时虽取得了一些成果,但所设计的冷却系统制造过程既繁琐又复杂,以至于花了一个多星期仅制造了一个元件,而设计的总数量达300个。之后,研究团队的成员提出尝试3D打印技术。

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在实验洞穴中安装新的传感器

荷兰国家亚原子物理研究所的团队所构思的系统具有非常严格的要求:通过液体冷却,就要使制冷剂尽可能靠近传感器,因此内壁的厚度必须非常薄,同时又不能泄漏。一旦安装,单个传感器就将无法修复,如果泄漏就会损坏整个检测器。3D打印成为克服该项目带来的技术挑战的关键。在对3D打印市场进行了调查之后,研究团队选择了3D Systems共同开发。

制造精度问题

3D打印面临的第一个问题是确定工件的打印方向。3D Systems所面对的是一个由许多组件组成的设计,研究团队需要从3D打印的角度出发考虑功能和整体设计,不能仅考虑成本,而且要消除由于多个组件相互连接而造成的泄漏风险。对3D Systems制造团队来说最大的挑战是来自对管壁厚度和结构平面度精度的要求,这促使他们重新考虑组件的设计,以及3D打印过程中的方向,而方向是增材制造过程中最重要的方面。因此,有必要了解如何在制造过程中确定工件的方向,以便能够符合非常严格的项目规范,如平面度必须在零件长度上具有50微米的精度。

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3D打印面临的第一个问题是确定工件的打印方向

3D Systems的团队通过测试对原有设计进行了迭代,并与欧洲核子研究组织共同合作修改了冷却结构的设计,以满足制造和最终功能的要求。

经优化设计的冷却棒结构具有以下特点:

极端壁厚:其内部有两个平行的管道进行冷却液循环,0.25mm的壁厚提供了最大的换热效率,而这需要调整工艺参数以达到熔池的稳定性和宽度。

密封性:对密封性的要求使制造团队选择了Ti6Al4V ELI(23级)。

平整度:零件必须在263mm的高度上具有50μm的精度。这是通过3D Systems应用工程师针对增材制造策略进行的各种设计以及诸如垂直方向的构建策略建议来实现的。通常,以这种精度水平进行3D打印需要留很多加工余量,然后再进行铣削加工。但壁厚太小,铣削很可能造成厚度减小,从而导致制冷剂泄漏,因此这种方案并不可行。采用垂直方向打印,使零件在平面度方面获得了最高的精度。此时的挑战是确定可实现最高分辨率和精度的激光参数,以确保壁厚厚度为250μm,制造团队通过调整工艺参数达到了熔池的稳定性和宽度要求。

材料的重要性和钛合金的选择

3D Systems建议使用特殊的钛合金制造冷却棒,但是即使材料本身选择也不容易,并且导致了自己要克服一系列的技术挑战。理想情况下,冷却组件使用的材料是铜,但在该项目中,由于设计方面的限制,这不是一个可行的选择。双方团队也尝试采用不锈钢进行打印,但却无法保证冷却组件的密封性,因此最终选择了钛合金。

一旦找到了正确的材料,纠正了设计并改进了制造工艺,3D打印便可以快速进行批量生产。对于欧洲核子研究团队来说,3D打印最大的优势在于,在原型制作阶段之后,通过3D打印可以在三天内生产44个零件,而传统加工在一周内只能制造出一个组件。为了最大程度地提高生产效率,制造团队将完整的冷却杆设计分成两部分,以更好地利用3D打印机的成型空间,最后通过焊接将其链接。最终300个元器件被分为600个组件,总共花费了大约一年的时间制作完成。

3D Systems从原型到生产的过渡和扩展的系统化方法确保了零件打印的简化途径:

设计策略:最终的冷却棒被一分为二分别相同的两部分,之后通过焊接形成一个完整的零件。这使欧洲核子研究组织能够以最少的组装获得所需的功能、尺寸和质量。

打印方向:根据设计的几何形状,3D Systems的工程师采用了垂直方向,以便使零件尽可能具有自支撑。

零件清洁:经过重新设计的冷却棒结构具有平行的冷却通道,可确保在后处理过程中100%去除粉末。

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装有传感器的冷却棒

该结构不是连续的,而是像被切成了四个部分,这使它们彼此之间保持一定的柔韧性。检测器必须非常接近冷却棒,定位要求探测器能够轻微变形而不断裂。

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在实验室中,冷却棒连接到再循环系统

在该项目的实施过程中,3D Systems也增强了对工艺技术的理解。当时之所以选择钛合金,是因为它是制造团队理解最为深入的材料,他们也因此了解到如何使用钛合金满足诸如壁厚或水密性等要求。

将传感器安装在冷却装置上进行实验发现,冷却温度可以已达到-40度。而根据压力测试,冷却棒的使用寿命至少可以达到十年。由于3D打印减少了组件数量,因此冷却棒的结构将更加可靠。



文章内容来源:3D打印参考,https://new.qq.com/omn/20210111/20210111A01SDY00.html