3D-Druck von Kühlstäbe aus Titan für den Large Hadron Collider Teilchenbeschleuniger

Der 3D-Drucker-Hersteller 3D Systems hat mit der Europäischen Organisation für Kernforschung, CERN, und dem niederländischen Nationalen Institut für subatomare Physik, Nikhef, zusammengearbeitet, um Kühlkomponenten für den Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) in 3D zu drucken.

Insbesondere haben die Partner das DMP Flex 350 PBF-System von 3D Systems verwendet, um im vergangenen Jahr einen Satz maßgefertigter Titan-Kühlstäbe für den Einsatz bei Partikelnachweis-Experimente zu drucken.

Der Large Hadron Collider (LHC, deutsche Bezeichnung Großer Hadronen-Speicherring) ist in Bezug auf Energie und Häufigkeit der Teilchenkollisionen der leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger der Welt. An Planung und Bau waren über 10.000 Wissenschaftler und Techniker aus über 100 Staaten beteiligt, es kooperierten hunderte Universitätslehrstühle und Forschungsinstitute. Die maßgebliche Komponente ist ein Synchrotron in einem 26,7 Kilometer langen unterirdischen Ringtunnel, in dem Protonen oder Blei-Kerne gegenläufig auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Die Experimente am LHC sind daher Colliding-Beam-Experimente.

Das Team benötigte Kühlstäbe, welche aus Titan bestehen. Das ursprünglich vorgesehene Design war mit konventionellen Methoden nicht herstellbar. Um die Effizienz zu maximieren, benötigten die Stäbe nur minimales Material zwischen dem Kühlmittel im Inneren und der äußeren Oberfläche, so dass eine Wandstärke von 0,25 mm entscheidend war. Leider erwies sich diese Spezifikation für eine Stange mit einer Länge von 263 mm als zu schwierig zu bearbeiten.

Nach einer intensiven Trial-and-Error-Phase wandte sich CERN an 3D Systems für seine Metall 3D-Druck-Technologie. In Zusammenarbeit mit den Anwendungsingenieuren des AM-Unternehmens modifizierte das CERN-Team ihre Stangendesigns so, dass sie 3D-druckbar waren, wobei die präzise Funktionalität erhalten blieb. Schließlich wurde eine Wandstärke von 0,25 mm sowie eine leckdichte Geometrie aus dem hochfesten LaserForm Ti Gr23-Pulver von 3D Systems erreicht. Das endgültige Design bestand aus gespiegelten A- und B-Komponenten, die zusammengeschweißt wurden und nur eine minimale manuelle Montage erforderten. Die Stäbe wurden außerdem so umgestaltet, dass sie parallele Kühlkanäle aufweisen, wodurch eine 100%ige Pulverabfuhr bei der Nachbearbeitung gewährleistet ist.

Basierend auf den Ergebnissen einer Reihe von Belastungstests erwarten die Partner eine Lebensdauer der Stäbe von mindestens zehn Jahren.