歐洲核子研究組織3D列印250um薄壁的複雜高精度冷卻迴路陣列

原標題：歐洲核子研究組織3D列印250um薄壁的複雜高精度冷卻迴路陣列

粒子加速器作為一種廣泛應用於化學、物理和生物研究中的實驗裝置，一直是各國科學家研究的重點。當前世界上最大的粒子加速器——歐洲大型強子對撞機，位於瑞士和法國交界侏羅山地下100米的位置，環形隧道的長度達到27公里，橫跨了瑞法兩國邊境。

在粒子對撞實驗過程中，為了提高實驗的解析度，必須採用越來越敏感的感測器。而在最新的實驗要求中，需要將一條長140m的光子檢測條冷卻至-40°C，才能提供所需的靈敏度。歐洲核子研究組織的設計和製造人員為此花費了數年時間，終於藉助3D列印技術實現了技術要求。

-40°C冷卻條件的極端設計要求

由於檢測條的寬度小於2mm，冷卻元件必須在非常有限的空間內均勻地散發大量熱量，因此需要極高的設計精度和散熱效率。在此背景下，歐洲核子研究組織與3D列印機制造商3D Systems以及荷蘭國家亞原子物理研究所合作，採用3D列印技術製造了壁厚僅為250μm的複雜高精度冷卻迴路元件，成功提高了粒子的監測能力。

將長達140m的光子檢測條均勻冷卻，需要一個與感測器直接接觸的冷卻系統，它同時需要充當機械支撐，並具有微米級的精度。感測器的對準對於影象重建至關重要，否則會導致生成的照片變形。因此，冷卻系統必須溫度均勻，而且機械穩定性非常好，其精度是毫米級的數百倍。研究人員最初在嘗試解決此問題時雖取得了一些成果，但所設計的冷卻系統製造過程既繁瑣又複雜，以至於花了一個多星期僅製造了一個元件，而設計的總數量達300個。之後，研究團隊的成員提出嘗試3D列印技術。

荷蘭國家亞原子物理研究所的團隊所構思的系統具有非常嚴格的要求：透過液體冷卻，就要使製冷劑儘可能靠近感測器，因此內壁的厚度必須非常薄，同時又不能洩漏。一旦安裝，單個感測器就將無法修復，如果洩漏就會損壞整個檢測器。3D列印成為克服該專案帶來的技術挑戰的關鍵。在對3D列印市場進行了調查之後，研究團隊選擇了3D Systems共同開發。

製造精度問題

3D列印面臨的第一個問題是確定工件的列印方向。3D Systems所面對的是一個由許多元件組成的設計，研究團隊需要從3D列印的角度出發考慮功能和整體設計，不能僅考慮成本，而且要消除由於多個元件相互連線而造成的洩漏風險。對3D Systems製造團隊來說最大的挑戰是來自對管壁厚度和結構平面度精度的要求，這促使他們重新考慮元件的設計，以及3D列印過程中的方向，而方向是增材製造過程中最重要的方面。因此，有必要了解如何在製造過程中確定工件的方向，以便能夠符合非常嚴格的專案規範，如平面度必須在零件長度上具有50微米的精度。

3D Systems的團隊透過測試對原有設計進行了迭代，並與歐洲核子研究組織共同合作修改了冷卻結構的設計，以滿足製造和最終功能的要求。

經最佳化設計的冷卻棒結構具有以下特點：

▪ 極端壁厚：其內部有兩個平行的管道進行冷卻液迴圈，0.25mm的壁厚提供了最大的換熱效率，而這需要調整工藝引數以達到熔池的穩定性和寬度。

▪ 密封性：對密封性的要求使製造團隊選擇了Ti6Al4V ELI（23級）。

▪ 平整度：零件必須在263mm的高度上具有50μm的精度。這是透過3D Systems應用工程師針對增材製造策略進行的各種設計以及諸如垂直方向的構建策略建議來實現的。

通常，以這種精度水平進行3D列印需要留很多加工餘量，然後再進行銑削加工。但壁厚太小，銑削很可能造成厚度減小，從而導致製冷劑洩漏，因此這種方案並不可行。採用垂直方向列印，使零件在平面度方面獲得了最高的精度。此時的挑戰是確定可實現最高解析度和精度的鐳射引數，以確保壁厚厚度為250μm，製造團隊透過調整工藝引數達到了熔池的穩定性和寬度要求。

材料的重要性和鈦合金的選擇

3D Systems建議使用特殊的鈦合金製造冷卻棒，但是即使材料本身選擇也不容易，並且導致了自己要克服一系列的技術挑戰。理想情況下，冷卻元件使用的材料是銅，但在該專案中，由於設計方面的限制，這不是一個可行的選擇。雙方團隊也嘗試採用不鏽鋼進行列印，但卻無法保證冷卻元件的密封性，因此最終選擇了鈦合金。

一旦找到了正確的材料，糾正了設計並改進了製造工藝，3D列印便可以快速進行批次生產。對於歐洲核子研究團隊來說，3D列印最大的優勢在於，在原型製作階段之後，透過3D列印可以在三天內生產44個零件，而傳統加工在一週內只能製造出一個元件。為了最大程度地提高生產效率，製造團隊將完整的冷卻杆設計分成兩部分，以更好地利用3D印表機的成型空間，最後透過焊接將其連結。最終300個元器件被分為600個元件，總共花費了大約一年的時間製作完成。

3D Systems從原型到生產的過渡和擴充套件的系統化方法確保了零件列印的簡化途徑：

▪ 設計策略：最終的冷卻棒被一分為二分別相同的兩部分，之後透過焊接形成一個完整的零件。這使歐洲核子研究組織能夠以最少的組裝獲得所需的功能、尺寸和質量。

▪ 列印方向：根據設計的幾何形狀，3D Systems的工程師採用了垂直方向，以便使零件儘可能具有自支撐。

▪ 零件清潔：經過重新設計的冷卻棒結構具有平行的冷卻通道，可確保在後處理過程中100％去除粉末。

該結構不是連續的，而是像被切成了四個部分，這使它們彼此之間保持一定的柔韌性。檢測器必須非常接近冷卻棒，定位要求探測器能夠輕微變形而不斷裂。

在該專案的實施過程中，3D Systems也增強了對工藝技術的理解。當時之所以選擇鈦合金，是因為它是製造團隊理解最為深入的材料，他們也因此瞭解到如何使用鈦合金滿足諸如壁厚或水密性等要求。

將感測器安裝在冷卻裝置上進行實驗發現，冷卻溫度可以已達到-40度。而根據壓力測試，冷卻棒的使用壽命至少可以達到十年。由於3D列印減少了元件數量，因此冷卻棒的結構將更加可靠。