欧洲核子研究中心利用 3D 打印的冷却系统提高粒子检测能力：欧洲核子研究中心利用3D打印

原标题：欧洲核子研究中心利用3D打印的冷却系统提高粒子检测能力
在瑞士和法国两国交界的山下一百米处，坐落着有史以来建造的最大、最强的粒子加速器：大型强子对撞机（LargeHadronCollider ， LHC）。这一壮观的设施由欧洲核子研究组织(CERN)用于开展四项关键实验下的高能物理研究。
加速器全长27公里，以使粒子快速加速，可观察到的反应发生在配备大型粒子探测器的四个束流交叉点处。在LHCb实验的检测体积内，必须将一台长度长且极其狭窄的条形光子探测器冷却到-40?C ，以维持反应来开展研究。该条形光子探测器大约长140米，宽度不到两毫米，固定在可实现100%冷却的3D打印钛冷却棒上。
这些冷却棒是荷兰国家亚原子物理研究所Nikhef与3DSystems客户创新中心之间的合作成果，使用3DSystems的直接金属打印(DMP)技术生产而成。 3DSystems因其在成功升级实验方面所做的贡献而荣获2019年LHCb工业奖。
挑战
开发并生产可靠、密封的定制冷却棒，以实现将大型强子对撞机探测器内的温度冷确到-40?C 。
解决方案
与3DSystems应用工程师合作，优化进行增材制造的理想设计，并以钛为材料采用3D打印进行限量生产。
【欧洲核子研究中心利用 3D 打印的冷却系统提高粒子检测能力】成效
0.25毫米壁厚和经确认的密封性部件整个长度范围内的平坦度精度达到50微米设计和生产策略要确保可以具有成本效益的方式来生产复杂度较高的部件2019年LHCb工业奖得主在有限空间内实现-40?C冷却
大型强子对撞机内的粒子碰撞发生在探测器内，而探测器是极为复杂的系统，可以收集基本粒子属性相关的信息。现代探测器包括多层子探测器，其中还有揭示粒子路径的跟踪设备，例如LHCbSciFi跟踪器（闪烁光纤的简称）。也可以通过其他子探测器系统来测量粒子的能量和辐射。
AntonioPellegrino就职于Nikhef ，同时也是CERN在大型强子对撞机底夸克(LHCb)实验中SciFi跟踪器项目的负责人。他解释说，冷却系统的复杂性是由以下几个不可避免的因素造成的：容纳冷却棒的空间极其有限；需要在如此短小的空间内消散的热量；整个条形光子探测器上的温度需要保持均匀；冷却棒的平坦度必须能够保持探测器的效率和分辨率。 “考虑到这些因素，冷却棒的构建方式必须非常高效， ”他说道。
Nikhef项目工程师RobWalet在开始开发冷却棒时，首先设计了一个能够完美满足性能要求的部件。 “这个设计非常精美， “Pellegrino说， “但不能以常规方式进行生产。 ”所需壁厚是使该部件的常规制造变得复杂的一个主要问题。要获得最大效能，冷却剂与待冷却表面之间所隔的材料保持最少至关重要。由于冷却棒的长度仅263毫米，无法加工出所需的壁厚。
在利用手工制作的原型开展了早期实验之后， CERN迅速确定了手工生产冷却棒不切实际。手工生产不仅需要大量人工，而且以可重复生产的方式进行制造并不容易。有了这种认识之后，该团队开始研究其他制造方法，并探索金属3D打印的能力。

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对冷却棒的性能要求和空间限制要求设计效率尽可能高。
合作对设计进行优化，以采用增材制造方式进行生产
虽然CERN针对冷却棒的最终功能优化了冷却棒的设计，但优化未考虑到增材制造(AM) 。在意识到这一缺陷之后， CERN决定选择制造合作伙伴。 “在为数不多的潜在公司中，我们选择了3DSystems ，原因是在我看来他们的工程师确实具备将我们的设计转化为可生产物品的能力， ”Pellegrino表示。
CERN利用3DSystems位于比利时鲁汶的客户创新中心(CIC)应用工程专业知识，加快其增材制造步伐。 3DSystemsCIC设施遍布全球，拥有丰富的经验和技术，可为高科技、航天、医疗保健、运输和赛车运动市场的增材制造应用提供支持。 3DSystemsCIC可为处于任何阶段的项目提供建议和帮助，从应用开发和前端工程设计，到设备验证、工艺验证、部件鉴定和生产。
3DSystems拥有增材制造解决方案的制造商和用户双重身份，是应用工程师与机械工程团队之间独特反馈循环的良港。这种开放式沟通推动3DSystems软件、硬件、材料和打印工艺的不断完善，从而实现更好的设备和更好的结果。
通过在设计、打印和测试的迭代方面展开合作， CERN的工程团队与3DSystems紧密协作，对冷却棒的设计进行修改，以使其同时满足制造和最终功能的要求。