世界上第一个，Fraunhofer IWS研究所3D打印用于粒子直线加速器的铜四极杆组件

根据3D科学谷的市场了解，据加州行业专家 Robert Hamm 和 Marianne E. Hamm 在 2012 年的分析“工业加速器及其应用”中估计，目前全球约有 30,000 个加速器在使用中。

新一代粒子加速器旨在将癌症治疗、药物检测和材料分析提升到更高水平：这些直线加速器非常紧凑，即使是小型医院、机场和实验室也能负担得起。为了支持这一发展，弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所Fraunhofer IWS与瑞士的欧洲核研究组织 (CERN)、拉脱维亚的里加科技大学 (RTU) 和米兰理工大学 (PoliMi) 一起专注于基于激光的3D 打印：作为 I.FAST 项目的一部分，旨在加强加速器的创新。

这个项目由欧盟委员会的 Horizon 2020（欧洲地平线2020计划）共同资助，研究人员在全球范围内首次成功地使用纯铜增材制造直线加速器的基本四极杆组件。

更好、更便捷

结构一体化的中空结构

绿色激光熔化纯铜粉并由此产生四极杆的四分之一。

© Fraunhofer IWS

这就是Fraunhofer IWS研究所开发的完整的四极杆经典设计中的外观，其工作原理是高频射频四极 (HF-RFQ)，这些四极电极连接成一排，将质子加速到非常高的速度。这一成功为此类系统的商业生产和实际使用开辟了新的前景。

理解高频射频四极 (HF-RFQ)可以从理解射频四极(Radio Frequency Quadruple简称RFQ)的角度出发。

赵博表示，射频四极加速器是直线加速中最常用的加速结构。RFQ加速器在线运行时,腔体内表面的射频功率耗散使加速器腔体发热变形,产生频率漂移,从而影响束流品质和传输效率。对于连续波(Continuous wave简称CW)工作条件,RFQ加速器的热稳定性是在线调试过程中的一个重要问题。RFQ加速器的冷却系统的作用是保持腔体结构的热稳定性,限制腔体结构的变形,同时可以调谐加速器腔体的频率。

那么高频射频四极 (HF-RFQ)的特点是什么呢？

基于 CERN 开发的新技术的高频四极杆是新一代设施的关键组件。在四极杆中，四个交替极化的电极彼此面对，像花瓣一样围绕中心粒子轨迹排列。如果用户施加交流电压，将建立快速变化的电场。这些场在波浪状电极尖端之间发送粒子，使它们越来越接近光速，通过每个四极杆的“电极花瓣”。与通常巨大的环形加速器不同，这些直线加速器更紧凑。

这些系统可用于在机场进行更好、更自动化的毒品和武器检查。科学家们看到了 3D 铜打印的巨大潜力，根据弗劳恩霍夫 IWS 纯铜和铜合金增材制造专家，这种方法将能够显着减少制造时间，例如，快速原型设计将成为推动加速器技术未来发展的可能。今天，许多铜零件在通过锻造或铸造的制造工艺获得加工。然而，3D打印-增材制造工艺开辟了生产高度复杂几何形状的新选择，而这在常规制造工艺中根本不可能实现。

由于铜的导热性和导电性非常好，因此，当这种金属可以在3D打印-增材制造系统中进行处理，则将对目前和未来的铜产品的设计与制造构成重大改进潜力。此外，与传统工艺相比，增材制造可以节省材料，从而减少铜的资源消耗。

绿色激光使部件优化成为可能

由于系统在长期运行过程中会产生大量废热，因此四极杆由纯铜制成。这种金属非常好地导电和导热。

3D科学谷了解到四极杆的生产一直非常复杂：它们由半成品铣削成型，然后由大量单个零件组装而成。根据3D科学谷的了解，从制造的角度上来看，这需要复杂的设计和广泛的冶金工艺路线，然后将多个组件组装、钎焊或焊接成最终零件。在传统制造工艺中，每个铜组件都是单独加工然后再焊接组装的，将多个零件钎焊在一起需要大量时间，精度和维护，而且两种相连的材料之间可能存在潜在的质量隐患。

因此，Fraunhofer IWS、RTU和 PoliMi的研究人员现在开发了一种替代方案：他们用绿色激光熔化纯铜粉，这些铜材料形成了四极杆的四分之一部分。在3D打印过程中，可以节省不需要部件强度的材料。另一方面，在传统的金属加工方法中，这种部件优化非常耗时，在某些地方甚至根本不可行。因此，新的生产方法减少了铜消耗，并提供了可以在一天内组装的更轻的四极杆段。

成品四极杆四分之一段，具有节省材料的中空结构和冷却通道。

© Fraunhofer IWS

根据3D科学谷的了解，金属3D打印技术为铜组件的设计优化带来了空间，但是铜的增材制造是充满挑战的。铜的高导热率可迅速从熔池中带走热量，从而促进局部和整体形成高热梯度，残余应力累积和失真。固结材料与周围粉末床之间的热导率显著差异加剧了变形和扭曲。熔池的快速固化和熔融铜的低粘度，也易于导致气孔等缺陷。

Fraunhofer通过短波绿色激光对金属进行几乎无缺陷的处理，实现了以前纯铜无法实现的新生产方法。可以用于制造航空航天和汽车工业的由纯铜和铜合金制成的复杂部件，并且可以提高铜金属零件的制造效率。

不过根据3D科学谷的了解，目前该研究并没有到产业化阶段，例如，3D打印-增材制造的铜部件具有粗糙的表面结构。因此，必须分析原型以优化加工工艺，并决定是否通过等离子体、电化学或激光抛光等方法平滑 3D 打印四极杆。

该项目还可以扩展到确定是否以及如何使用增材制造技术修复加速器上的轻微磨损损坏，而不必报废整个组件的测试。此外，科学家还打算研究哪些其他材料和组件可以考虑用于加速器的增材制造。

来源：3D科学谷