可以在粒子加速器中使用的3D打印銅組件：X波段速調管輸出腔，帶有微冷卻通道（左側）和一組耦合的加速器腔。圖片：Christopher Ledford/North Carolina State University
想象一下，無論何時何地，您都可以製造複雜的設備。即使在最偏遠的地方，例如在航天器上建造備件或新組件，這會帶來無法預料的可能性。3-D打印或增材製造可能就是這樣做的一種方式。您所需要的只是設備的原材料、打印機和控制過程的計算機。
美國能源部SLAC國家加速器實驗室的資深科學家Diana Gamzina，北卡羅萊納州立大學機械和航空航天工程助理教授Timothy Horn，RadiaBeam Technologies的研究人員夢想著開發出一種技術，該技術可以打印用於醫學成像和治療、電網、衛星通信、國防系統等的粒子加速器和真空電子設備。
實際上，研究人員比您想象的更接近實現這一目標。
Gamzina說：“我們正在嘗試打印一種非常雄心勃勃的粒子加速器。過去的幾年中，我們一直在開發，如今，我們已經可以打印粒子加速器組件。無論您身在何處，而且沒有足夠的基礎設施，3-D打印都能製造你想要的東西。因此，您可以在海軍艦船、小型實驗室或偏遠地區打印您的粒子加速器。”
3-D打印可以使用多種材料的液體和粉末進行，但尚無任何成熟的3-D打印超高純度銅及其合金的工藝，Gamzina，Horn及其同事希望使用這種材料。他們的研究專注於開發該工藝。
必不可少的銅
加速器提高了粒子束的能量，真空電子設備被用於放大器和發生器。兩者都依賴於易於成型的部件，並且能很好地傳導熱量和電流。銅具有所有這些品質，因此被廣泛使用。
傳統上，每個銅組件都是單獨加工的，並通過加熱與其他組件粘合以形成複雜的幾何形狀。這種製造技術是非常普遍的，但是有其缺點。
Horn說：“將多個零件釺焊在一起需要大量的時間，精度和維護。如果兩種材料之間存在連接，便會增加潛在的故障點。因此，有必要減少或消除這些組裝過程。”
3-D銅打印的潛力
銅組件的3D打印可以提供解決方案。
它的工作原理是將一層薄薄的材料彼此疊放，然後緩慢地構建特定的形狀和對象。在Gamzina和Horn的作品中，所使用的材料是極純的銅粉。
該過程從對象的3D設計或“構造手冊”開始。打印機由計算機控制，在平臺上散佈幾微米厚的銅粉層。然後，它將平臺移動大約50微米（相當於人類頭髮的厚度的一半），並在第一個銅層上鋪開第二個銅層，然後用電子束將其加熱到大約1093攝氏度，然後將其與第一層焊接在一起。重複此過程，直到構建完整的對象。
使用銅粉對稱為行波管的設備進行3-D打印。圖片：Christopher Ledford/North Carolina State University
令人驚奇的部分：該工藝不需要特定的工具、固定裝置或模具。3-D打印消除了傳統制造工藝固有的設計限制，並允許構造非常複雜的對象。
SLAC的科學家Chris Nantista說：“形狀對於3D打印並不重要，”他為Gamzina和Horn設計和測試3D打印的樣品。“您只需對其進行編程，啟動系統，它幾乎可以構建您想要的任何東西。它為潛在形狀提供了新的空間。”
該團隊利用了這一優勢，例如，帶冷卻通道的速調管的一部分（帶有可放大射頻信號的專用真空管）。一件式地構建它可以改善設備的熱傳遞和性能。
Gamzina說，與傳統制造相比，3D打印也更省時，並且可以節省多達70％的成本。
具有挑戰性的技術
但是，印刷銅器件有其自身的挑戰，正如Horn早在幾年前就與RadiaBeam的合作者一起開發該技術一樣。一個問題是在打印對象的熱和電性能與強度之間找到正確的平衡。但是，製造加速器和真空電子設備的最大障礙是，這些高真空設備需要極高的質量和純淨的材料，以避免零件故障（例如破裂或真空洩漏）。
研究團隊通過首先改善材料的表面質量，使用更細的銅粉並改變將層融合在一起的方式來解決這些挑戰。但是，使用更細的銅粉帶來了下一個挑戰。它使更多的氧氣附著在銅粉上，增加了每層中的氧化物，使打印物體的純度降低。
因此，Gamzina和Horn必須找到降低銅粉中氧氣含量的方法。他們最近在《應用科學》上發表了他們提出的方法，該方法依靠氫氣將氧氣結合成水蒸氣並將其驅離粉末。
水蒸氣溢出實驗
Horn說，使用這種方法有些令人驚訝。在傳統上製造的銅物體中，水蒸氣的形成會在材料內部產生高壓蒸汽泡，並且材料會起泡並破裂。另一方面，在添加過程中，水蒸氣逐層逸出，從而更有效地釋放水蒸氣。
儘管這項技術顯示出了巨大的希望，但科學家們仍然有一種方法可以降低氧含量，以印刷出一種實際的粒子加速劑。但是他們已經成功地印刷了一些組件，例如帶有內部冷卻通道的速調管輸出腔以及可用於粒子加速的一系列耦合腔。
完成的無氧銅組件
計劃與行業合作伙伴合作
該項目的下一階段將由Horn領導的新成立的增材製造銅特性財團推動。該聯盟目前有四個活躍的行業成員-Siemens，GE Additive，RadiaBeam和Calabazas Creek Research-並且還在繼續。
Gamzina說：“這將是一個學術機構，一個國家實驗室與大小企業之間合作的一個很好的例子。這將使我們能夠共同解決這個問題。我們的工作已經使我們能夠在不到兩年的時間內從‘只是想象，這太瘋狂了’發展到‘我們能夠做到’”。
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