Imaginez pouvoir fabriquer des appareils complexes quand vous le souhaitez et où que vous soyez. Cela créerait des possibilités imprévues même dans les endroits les plus reculés, comme la construction de pièces de rechange ou de nouveaux composants à bord d'un engin spatial. impression en 3D, ou fabrication additive, pourrait être un moyen de le faire. Tout ce dont vous auriez besoin, ce sont les matériaux dont l'appareil sera fait, une imprimante et un ordinateur qui contrôle le processus.

Diane Gamzina, un scientifique du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie; Timothée Horn, professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial à la North Carolina State University; et les chercheurs de RadiaBeam Technologies rêvent de développer la technique d'impression d'accélérateurs de particules et de dispositifs électroniques sous vide pour des applications en imagerie médicale et en traitement, le réseau électrique, communications par satellite, systèmes de défense et plus encore.

En réalité, les chercheurs sont plus près d'en faire une réalité que vous ne le pensez.

"Nous essayons d'imprimer un accélérateur de particules, ce qui est vraiment ambitieux, " a déclaré Gamzina. " Nous avons développé le processus au cours des dernières années, et nous pouvons déjà imprimer des composants d'accélérateurs de particules aujourd'hui. L'objectif de l'impression 3D est de créer des choses où que vous soyez sans beaucoup d'infrastructure. Ainsi, vous pouvez imprimer votre accélérateur de particules sur un navire de guerre, dans un petit laboratoire universitaire ou dans un endroit très éloigné."

L'impression 3D peut être réalisée avec des liquides et des poudres de nombreux matériaux, mais il n'y a pas de processus bien établis pour l'impression 3D de cuivre ultra-haute pureté et de ses alliages - les matériaux Gamzina, Horn et leurs collègues veulent utiliser. Leurs recherches portent sur le développement de la méthode.

Le cuivre indispensable

Les accélérateurs boostent l'énergie des faisceaux de particules, et les appareils électroniques à vide sont utilisés dans les amplificateurs et les générateurs. Les deux reposent sur des composants qui peuvent être facilement façonnés et qui conduisent extrêmement bien la chaleur et l'électricité. Le cuivre possède toutes ces qualités et est donc largement utilisé.

Traditionnellement, chaque composant en cuivre est usiné individuellement et lié avec d'autres en utilisant la chaleur pour former des géométries complexes. Cette technique de fabrication est incroyablement courante, mais il a ses inconvénients.

« Le brasage de plusieurs pièces et composants prend beaucoup de temps, précision et soin, " Horn dit. " Et chaque fois que vous avez un joint entre deux matériaux, vous ajoutez un point de défaillance potentiel. Donc, il est nécessaire de réduire ou d'éliminer ces processus d'assemblage."

Potentiel de l'impression 3D sur cuivre

L'impression 3D de composants en cuivre pourrait offrir une solution.

Il fonctionne en superposant de fines feuilles de matériaux les unes sur les autres et en créant lentement des formes et des objets spécifiques. Dans l'œuvre de Gamzina et Horn, le matériau utilisé est de la poudre de cuivre extrêmement pure.

Le processus commence par une conception en 3D, ou "manuel de construction, " pour l'objet. Contrôlé par un ordinateur, l'imprimante étale une couche de poudre de cuivre de quelques microns d'épaisseur sur une plate-forme. Il déplace ensuite la plate-forme d'environ 50 microns - la moitié de l'épaisseur d'un cheveu humain - et étale une seconde couche de cuivre sur la première, le chauffe avec un faisceau d'électrons à environ 2, 000 degrés Fahrenheit et le soude avec la première couche. Ce processus se répète encore et encore jusqu'à ce que l'objet entier ait été construit.

La partie étonnante :pas d'outillage spécifique, des appareils ou des moules sont nécessaires pour la procédure. Par conséquent, L'impression 3D élimine les contraintes de conception inhérentes aux processus de fabrication traditionnels et permet la construction d'objets d'une complexité unique.

"La forme n'a pas vraiment d'importance pour l'impression 3D, " a déclaré Chris Nantista, scientifique du SLAC, qui conçoit et teste des échantillons imprimés en 3D pour Gamzina et Horn. "Vous venez de le programmer, démarrez votre système et il peut construire presque tout ce que vous voulez. Cela ouvre un nouvel espace de formes potentielles."

L'équipe en a profité, par exemple, lors de la construction d'une partie d'un klystron - un tube à vide spécialisé qui amplifie les signaux de radiofréquence - avec des canaux de refroidissement internes au NCSU. Sa construction en une seule pièce a amélioré le transfert de chaleur et les performances de l'appareil.

Par rapport à la fabrication traditionnelle, L'impression 3D prend également moins de temps et pourrait se traduire par des économies allant jusqu'à 70 %, dit Gamzina.

Une technique exigeante

Mais l'impression de périphériques en cuivre a ses propres défis, comme Corne, qui a commencé à développer la technique avec des collaborateurs de RadiaBeam il y a des années, sait. L'un des problèmes est de trouver le bon équilibre entre les propriétés et les résistances thermiques et électriques des objets imprimés. Mais le plus gros obstacle à la fabrication d'accélérateurs et d'électronique sous vide, bien que, est que ces appareils à vide poussé nécessitent des matériaux de très haute qualité et purs pour éviter les défaillances de pièces, telles que des fissures ou des fuites de vide.

L'équipe de recherche a relevé ces défis en améliorant d'abord la qualité de surface du matériau, en utilisant de la poudre de cuivre plus fine et en variant la façon dont ils fusionnent les couches. Cependant, l'utilisation d'une poudre de cuivre plus fine a conduit au prochain défi. Cela a permis à plus d'oxygène de se fixer à la poudre de cuivre, augmentant l'oxyde dans chaque couche et rendant les objets imprimés moins purs.

Donc, Gamzina et Horn ont dû trouver un moyen de réduire la teneur en oxygène de leurs poudres de cuivre. La méthode qu'ils ont trouvée, qu'ils ont récemment rapportés dans Applied Sciences, repose sur l'hydrogène gazeux pour lier l'oxygène à la vapeur d'eau et le chasser de la poudre.

L'utilisation de cette méthode est quelque peu surprenante, dit Corne. Dans un objet en cuivre de fabrication traditionnelle, la formation de vapeur d'eau créerait des bulles de vapeur à haute pression à l'intérieur du matériau, et le matériau se boursouflerait et tomberait en panne. Dans le processus additif, d'autre part, la vapeur d'eau s'échappe couche par couche, qui libère plus efficacement la vapeur d'eau.

Bien que la technique se soit révélée très prometteuse, les scientifiques ont encore du chemin à parcourir pour réduire suffisamment la teneur en oxygène pour imprimer un véritable accélérateur de particules. Mais ils ont déjà réussi à imprimer quelques composants, comme la cavité de sortie du klystron avec des canaux de refroidissement internes et une chaîne de cavités couplées qui pourraient être utilisées pour l'accélération des particules.

Planification de faire équipe avec des partenaires de l'industrie

La prochaine phase du projet sera pilotée par le Consortium nouvellement formé sur les propriétés du cuivre fabriqué par additif, qui est dirigé par Horn. Le consortium compte actuellement quatre membres actifs de l'industrie :Siemens, Additif GE, RadiaBeam et Calabazas Creek Research—et d'autres sont en cours.

« Ce serait un bel exemple de collaboration entre une institution académique, un laboratoire national et des petites et grandes entreprises, " a déclaré Gamzina. " Cela nous permettrait de résoudre ce problème ensemble. Notre travail nous a déjà permis de passer de « imaginez, c'est fou' à 'nous pouvons le faire' en moins de deux ans."

Ce travail a été principalement financé par le Naval Sea Systems Command, en tant que programme de transfert de technologie pour les petites entreprises avec Radiabeam, SLAC, et NCSU. Les autres contributeurs du SLAC incluent Chris Pearson, Andy Nguyen, Arianna Gleason, Apurva Mehta, Kévin Pierre, Chris Tassone et Johanna Weker. Des contributions supplémentaires sont venues de Christopher Ledford et Christopher Rock à NCSU et Pedro Frigola, Paul Carrière, Alexandre Laurich, James Penney et Matt Heintz chez RadiaBeam.