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3D SYSTEMS与CERN合作为大型强子对撞机提供3D打印钛冷却组件

3D打印 CERN LHC 大型强子对撞机
发布:2020-12-04 10:46:31    

3D打印机制造商3D Systems与欧洲核研究组织(CERN)和荷兰国家亚原子物理研究所(Nikkef)合作,为大型强子对撞机(LHC)制作3D打印冷却组件。

具体来说,合作伙伴使用公司的DMP Flex 350 PBF系统打印了一套定制的钛冷却棒,用于去年的颗粒检测实验,否则这些零件将无法制造。作为对其贡献的证明,3D Systems甚至在2019年末被授予LHCb行业奖。

3D打印的钛金属冷却棒。通过3D Systems拍摄。

LHC中的零度以下环境

LHC是世界上最大的粒子加速器,CERN使用它来研究高能粒子碰撞。它的长度为27公里,可以在四个光束交叉点进行碰撞观察,每个交叉点都包含先进的大粒子探测器。

在LHC beauty(LHCb)实验的检测部分中,特别是,必须将一条长140m的薄光子检测条冷却至-40°C,以保持足够长的反应时间以进行研究。该条的宽度小于2mm,需要钛制冷却棒来执行100%的必要冷却作用。鉴于杆必须在非常有限的空间内均匀地散发大量热量,因此其设计的精度和效率至关重要。

确定最初提出的设计无法使用常规方法制造。为了最大程度地提高效率,棒材在冷却剂内部和外部表面之间所需的材料最少,因此0.25mm的壁厚至关重要。不幸的是,事实证明,这种规格对于长度263mm的棒材很难加工。

大型强子对撞机。图片来自CERN。

3D打印钛合金冷却棒

经过严格的反复试验阶段,CERN最终选择了3D Systems及其金属增材制造技术。欧洲核子研究中心(CERN)的LHCb实验项目负责人Antonio Pellegrino指出:“在几家可能的公司中,我们选择了3D Systems,因为在我看来,那里的工程师能够将我们的设计实际转化为可以生产的产品。 ”

CERN团队与3D Systems的应用工程师合作,将其条形设计修改为可3D打印,同时保留了其精确功能。最终实现了0.25mm的壁厚,以及由3D Systems的高强度LaserForm Ti Gr23粉末制成的密封几何形状。最终设计包括焊接在一起的镜面A和B组件,并且需要最少的手动组装。棒料也经过重新设计,具有平行的冷却通道,可确保在后处理过程中100%去除粉末。

根据一系列压力测试的结果,合作伙伴预计这些钢筋至少可以使用十年。由于几乎不需要组装,并且使用一种材料以优化形式创建了零部件,这一事实进一步加强了这一数字。

3D Systems因对LHCb实验的成功升级做出的贡献而荣获2019 LHCb工业奖。通过3D Systems拍摄。

像热力学一样细致入微的零件,零件几何形状的精确度与以往一样重要。今年早些时候,普渡大学的一组机械工程专业的学生设计了一个屡获殊荣的高效3D可打印散热器。先进的设计在“虚拟学生散热器设计挑战赛”中排名第一,并包含Formula-1和鲨鱼皮启发的内部通道。

在其他地方,美国企业集团GE的研发部门GE Research以前曾使用3D打印技术来制造用于发电设备的超高效,低排放热交换器。该设备被称为UPHEAT(由Additive Technology启用的超高性能热交换器),是一项耗资250万美元的研究项目的一部分。

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