用于大型强子对撞机的 3D 打印铜射频四极 (RFQ) 组件

CERN，即欧洲核研究组织，目前拥有世界上最大的粒子加速器。被称为大型强子对撞机 (LHC)，其目标是通过电场或磁场将能量传递给粒子。今天，我们让您关注 LHC，因为它可能首次包括 3D 打印的铜射频四极杆。具体来说，这是一个射频四极杆直线加速器 (RFQ)，是设计和组装最困难的部件之一。出于这些原因，Fraunhofer IWS 与欧洲核子研究中心、里加技术大学和米兰理工大学合作，选择了增材制造，或者更具体地说是激光粉末床融合技术来生产它。

合作伙伴都是 I.FAST（加速器科学与技术创新培育）地平线 2020 项目的一部分，该项目由欧盟资助，旨在开发新的粒子加速器设计。它拥有 49 个合作伙伴，希望在一个极具挑战性的主题中加速创新。正是在这种背景下，金属增材制造被使用，这是该技术潜力的一个新的具体例子。

用于克服装配问题的增材制造

根据项目合作伙伴的说法，RFQ 传统上是由高导电材料和合金通过“预制大型锻造单件组件”的多轴铣削制造的。具体而言，RFQ 集成了 4 个模块，这些模块通过炉钎焊组装。然而，后者通常会释放残余应力，这会导致几何变形。加工过程中需要进行多次热处理，以保持质量水平并确保零件正常运行。可以想象，所有这些步骤都非常耗时、昂贵且效率不高。为了克服这个问题，项目合作伙伴转向了增材制造，特别是因为它能够在单个块中生产组件，从而避免了组装步骤及其限制。

他们解释说：“最终，包括 RFQ 系统的所有四个“叶片”在内的完整段可以一体构建，从而避免钎焊，并允许优化制造复杂元件，如内部冷却通道和外部端口。AM 设备、设计能力（包括仿真工具）和制造方法本身的进步为 RFQ 设计优化和全面生产开辟了全新的途径，甚至使用纯铜，这被认为是基于激光的具有挑战性的材料AM 流程。” 这是因为铜是一种会反射激光的金属，因此它也会反射制造零件所需的一些能量。

一个优化的射频四极杆原型

合作伙伴选择了激光粉末床融合，更具体地说是在 TruPrint1000 机器上，以满足所有生产限制，特别是在几何精度、表面粗糙度和电导率方面。他们复制了欧洲核子研究中心目前使用的射频四极杆的四分之一。3D 打印原型长 95 毫米，具有叶片尖端、内表面、改进的冷却通道和重新设计的内部结构。在设计阶段选择了蜂窝图案，这将所需材料的体积减少了 37%，总重量减少了 21%。制作原型需要 16.5 个小时的打印时间，该原型的层厚为 30 微米，高度为 98.01 毫米。

团队总结道：“AM 技术特别适合 RFQ 所需的机械复杂性，并提供显着的设计和优化自由度，以满足传统技术无法实现的严格制造要求。这也为主要 RFQ 改进和最终全尺寸生产开辟了道路，甚至使用纯铜，这是一种技术要求高的材料。” 因此，3D 打印可能会对未来粒子加速器的制造产生重大影响！

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