Под горами Швейцарии и Франции находится Большой Адронный Коллайдер – самый крупный и мощный в мире ускоритель частиц. Эта впечатляющая конструкция используется Европейской организацией ядерных исследований (CERN) для проведения экспериментов в секторе физики высоких энергий. Наблюдаемые реакции происходят в четырех точках пересечения лучей, оснащенных датчиками. В рамках опытных работ длинная и узкая полоса фотонного детектора (140 метров в длину, менее двух миллиметров в ширину) должна быть охлаждена до -40оС.

За регулирование температуры отвечают титановые охладители, изготовленные на 3D-принтере. Эти «кул-бары» стали результатом сотрудничества голландского Национального института субатомной физики Nikhef и Центра Инноваций клиентов компании 3D Systems. Приборы созданы с использованием технологии прямой печати металлом (DMP).

Тонкости процедуры охлаждения с 3D-печатью

Столкновения частиц в Коллайдере происходят внутри детекторов, которые представляют собой чрезвычайно сложные системы, позволяющие собирать информацию о фундаментальных свойствах элементов. Современное оборудование включает слои субдетекторов, среди которых есть устройства слежения, обнаруживающие путь частицы. С помощью других субдетекторных схем можно измерить энергию и излучение элементов.

Сложность системы охлаждения вызвана рядом неизбежных факторов:

•    невероятно ограниченное пространство, где помещаются охлаждающие стержни;

•    тепло, которое должно рассеиваться в этом сжатом объеме;

•    равномерность температуры, необходимая по всей длине полосы обнаружения фотонов;

•    конфигурация охлаждающих стержней, нужная для сохранения эффективности детектора.

Первоначальная конструкция cool-bar идеально отвечала требованиям производительности. Но устройство невозможно было изготовить обычным способом из-за требуемой толщины стенок при длине детали 263 мм. Для достижения максимальной эффективности важно иметь минимальный слой между охлаждающей жидкостью и охлаждаемой поверхностью.

Оптимизация системы охлаждения с 3D-печатью

Изначально дизайн кул-бара не был адаптирован для аддитивных технологий. Выход предложил ведущий производитель и пользователь 3D-решений. Специалисты 3D Systems могут включаться в проект на любом этапе, начиная с разработки приложений и интерфейсов, а заканчивая валидацией оборудования, процедур, квалификацией деталей и налаживанием производства.
Благодаря совместному итеративному процессу проектирования, печати и тестирования инженерные команды CERN и 3D Systems совместно скорректировали дизайн cool-bar согласно производственным требованиям и конечным функциям.

Конструкцией учтены базовые критерии:

1.    Толщина стенок. Основной спецификацией детали был показатель 0,25 мм. Это было достигнуто благодаря высокой точности размеров DMP, уникальным настройкам параметров лазера в зависимости от стабильности и ширины ванны расплава титанового порошка.

2.    Герметичность. Данное требование определило выбор материала LaserForm TiGr23 - высокопрочного титанового сплава.

3.    Плоскостность. Необходимо было обеспечить точность 50 мкм по длине 263-миллиметровой детали, что стало возможным благодаря различным стратегиям проектирования аддитивного производства, применяемым инженерами 3D Systems.

Окончательный кул-бар спроектирован как набор зеркальных компонентов, которые свариваются вместе, образуя законченную деталь. Структура позволила получить необходимые характеристики, размеры и качество при минимальной сборке. При аддитивном производстве ориентация детали на платформе может влиять на требования к поддержкам. Основываясь на геометрии конструкции, инженеры рекомендовали вертикальную ориентацию, чтобы деталь могла быть как можно более самонесущей. Cool-bar был разработан с параллельными каналами охлаждения, сложными для контроля и удаления остатков порошка. 3D Systems разработала способ очистки для обеспечения тщательного удаления материала из деталей. Судя по результатам стресс-тестирования, кул-бары прослужат минимум десять лет.