全文4400字，阅读需7分钟。本文简述粒子加速器领域的3D打印技术、材料、应用、表面综述下集。
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AM易道导语：
这篇题为《Metal additive manufacturing for particle accelerator applications》的文章系统梳理了3D打印技术在粒子加速器领域的应用现状、技术突破与未来挑战，引发了学界的广泛关注。
我们在上集总结了部分应用，本篇为此系列的下集，包含更多的应用。
完整PDF获取信息在文末。
射频波导与负载
在射频波导领域，3D打印技术同样带来了新应用。
2014年，CERN的研究团队率先展示了使用PBF-LB/M和PBF-EB技术制造的Ti6Al4V材质WR90波导管。
如图22所示，改进后的设计不仅集成了冷却夹套，还增加了壁厚并实现了真空法兰的整体制造。
Kellermeier团队的工作特别值得关注。
如图23所示，他们采用PBF-LB/M技术制造了一系列316L不锈钢喇叭波导，用于探索太赫兹辐射的传输特性。
特别值得关注的是CERN为紧凑型直线对撞机（CLIC）开发的创新射频负载。
如图24所示，这种螺旋形射频负载通过将长波导向内缠绕的方式实现了紧凑设计。
其独特之处在于壁面精心布置的孔洞设计，使得位于螺旋中心的主真空泵能够有效作用于整个内部空间。
为了进一步推进批量制造，研究人员开发出了突破性的新设计方案。
如图25所示，这一改进允许零件在水平方向打印，使得多个部件能够在粉末床中叠加制造。
类似的螺旋设计理念也被Mathesen团队应用于Cool Copper Collider (C3)项目。
如图26所示，为了避免内部支撑结构并便于清除多余粉末，他们创新性地采用PBF-LB/M分两半制造负载原型，随后通过焊接组装并添加真空泵口。
束流诊断与真空系统
在束流诊断设备领域，3D打印技术展现出独特的优势。
如图27所示，为LHC预注入器开发的高精度线扫描仪就是一个典型案例。
通过拓扑优化设计，研究团队不仅降低了叉形支架的质量，还减少了扫描过程中的惯性负载。
更重要的是，3D打印制造的支架成本仅为传统工艺的35%左右。
束流位置监测器（BPM）的制造也获得了显著突破。
如图28所示，采用PBF-LB/M技术制造的316L不锈钢BPM实现了创新的法兰优化设计，不仅避免了复杂的焊接工序，还使得部件长度减少了20mm，重量降低了约40%。
初步的Lambertson测试和拉伸线测试表明，这种3D打印BPM的性能与传统产品相当。
Grazzi团队为MACHINA（用于文物现场无损分析的移动加速器）开发的束流出口结构是另一个案例。
如图29所示，这个出口结构包含两个在引出窗口处相交的锥形聚焦元件，通过PBF-LB/M技术一体化制造。
在束流拦截装置领域，Tavakoli团队使用CuCr1Zr合金制造了紧凑型偏转磁铁下游束流收集器（图30a）。
通过优化冷却通道设计，相比传统设计，最高温度降低了超过30℃。
Sinico团队则展示了另一种创新方案。如图30(b)和(c)所示，他们为回旋加速器束流线末端开发的铜质束流收集器，采用螺旋形状的水冷系统，直接打印在作为束流收集器前端的铜质构建平台上。
值得注意的还有IBA Cyclone® 18/18回旋加速器的靶件支架设计（图30d和e）。
Chan团队通过PBF-LB/M技术使用纯银制造的原型，其创新的内部水冷系统使冷却效率提高了约60%。
更重要的是，这种新设计使靶材能够更靠近回旋加速器的出口端，显著减少了由束流发散引起的损失。
AM易道认为，这些案例充分展现了3D打印技术在优化冷却系统设计和提升部件性能方面的独特优势。
真空系统
在真空系统方面，研究人员同样取得了重要进展。
如图31-34所示，从真空法兰到真空室，3D打印技术展现出了优异的制造能力。
换热器与冷却系统：拓扑优化驱动的热管理创新
在前面讨论的众多加速器部件中，我们已经看到冷却系统设计的重要性。
AM易道认为，3D打印技术的设计自由度在热管理装置的开发中发挥着关键作用。
通过拓扑优化，研究人员能够设计出具有更高传热效率的复杂结构，特别是通过集成大面积散热结构来提升散热性能。
一个特别引人注目的研究方向是采用三周期最小曲面（TPMS）结构的创新换热器设计。
这些结构，如gyroid和lidinoid，能够提供相互贯通但又相互分离的流道，实现不同温度流体之间的高效热交换。
在实际应用方面，已经涌现出多个突破性案例。
2015年，Delonca团队在LIEBE项目框架下开发了创新的Pb-Bi/水换热器设计，并采用PBF-LB/M技术制造了首批原型。
Sciacca团队的研究则针对核医学放射性核素生产中的同位素靶件开发了三种不同的散热器构型。
如图35(a)和(b)所示，其中两种设计采用了相对于入口冷却流具有不同取向的点阵结构，第三种则使用了独特的螺旋扭曲通道。
这些纯铜原型（图35c）通过PBF-LB/M技术制造，在实验测试中展现出优异性能，热传递系数超过19 kW m^-2 K^-1。特别是第三种构型，由于扭曲通道中涡流和二次流的产生，表现出更高的散热能力。
在射频腔体的热管理方面，Zhang团队的工作同样令人瞩目。
如图35(d-f)所示，他们通过拓扑优化设计的冷却通道，成功将704.4MHz CH铜腔体的热点温度降低了约24℃。
这一成果充分展示了3D打印技术在复杂冷却系统设计和制造方面的优势。
AM易道认为，这些案例清晰地表明，3D打印技术正在彻底改变加速器部件的热管理方案。
通过拓扑优化和创新结构设计，研究人员能够突破传统制造工艺的限制，实现更高效的热管理解决方案。
表面质量提升：从粗糙到精细的蜕变之路
这部分的内容其实也很重要，其中提到的一些抛光方法能够解答AM易道读者的部分问题。
在所有加速器部件的制造挑战中，表面质量的控制可能是最为关键的一环。
特别是对于射频部件而言，表面质量直接影响着其性能表现。
但这一问题的复杂性在于，3D打印件的表面特征与传统加工方式有着本质的不同。
机械处理：传统与创新的融合
机械表面处理技术主要通过磨料介质去除或塑性变形表面材料来改善表面质量。
Horn等人的研究展现了磁驱动抛光技术在处理PBF-EB制造的WR10波导管内表面时的独特优势。
如图36所示的振动抛光系统，通过在腔体两端安装偏心振动电机，配合内部填充的研磨介质，实现了对复杂内表面的有效处理。
特别引人注目的是Torims团队在射频四极管（RFQ）原型处理中采用的方法。
他们比较了传统滚筒抛光、化学辅助抛光以及MMP TECHNOLOGY®机械-物理-催化处理等多种工艺。
研究发现，虽然传统抛光可以达到Ra<0.4μm的要求，但处理时间较长，且对深谷的去除效果有限。
相比之下，化学辅助工艺能够更均匀地去除表面缺陷层。
化学及电化学抛光：精细表面的追求
化学抛光技术因其能够全局处理工件，特别是那些难以用固体介质触及的区域，在复杂加速器部件的处理中发挥着重要作用。
例如，CERN开发的SUBU系列溶液在处理待镀铌膜的铜射频腔体时就展现出不错效果。
电化学抛光则通过结合电流作用和化学腐蚀，实现了更精准的表面处理。
如研究显示，工件表面的凸起部分由于电阻较低，会优先溶解，从而自然形成更光滑的表面。
Candela等人的研究表明，这种方法能够将PBF-LB/M制造的铜件表面处理至镜面效果，尽管层状制造的宏观痕迹仍然可见。
等离子体电解抛光：新兴技术的突破
等离子体电解抛光技术代表着表面处理的新方向。
如Zhang等人在处理704.4MHz CH腔体（图35d所示）时，采用这项技术将最大峰谷高度Rz从约80μm降低到约5μm。
更重要的是，这种方法仅需要传统电化学抛光十分之一的时间，且使用的是环保的稀盐溶液。
激光抛光：精准控制的新选择
激光抛光技术通过对表面进行局部重熔来改善表面质量。
虽然这项技术目前在加速器部件处理中的应用还不普遍，但其在处理铌超导射频腔体时展现出的潜力值得关注。
这种方法避免了传统化学处理中使用的腐蚀性溶液，为环保制造提供了新的可能。
通过设计优化改善表面质量
AM易道认为，提升表面质量不应该只依赖后处理，在设计和制造阶段就应该考虑这一问题。
例如，采用轮廓扫描策略，对零件外壳和核心区域使用不同的工艺参数，就能在一定程度上改善表面质量。
如图37所示的射频腔体支撑结构设计，通过优化支撑几何形状，不仅简化了去除过程，还提升了表面处理的效果。
写在最后
尽管3D打印技术在加速器制造领域展现出巨大潜力，但要实现广泛应用仍面临着一系列挑战。
AM易道认为，其中最关键的是工艺质量的稳定性控制。
从材料角度看，粉末原料的质量至关重要。以纯铜为例，由于粉末颗粒表面积大，在生产、筛分、运输和处理过程中极易发生氧化。
这一问题在PBF工艺中尤为突出，氧含量的控制直接影响着最终产品的导电性和导热性。
更具挑战性的是，部分挥发性元素在高能束流加工过程中容易产生选择性蒸发。
这种现象可能导致最终产品的化学成分偏离原始设计，影响其性能表现。
前文说过, 表面质量一直是3D打印技术面临的重要挑战之一。
对于加速器部件而言，这一问题显得尤为突出。打印表面的纹路有可能会影响许多射频单元的性能。
而且目前的表面粗糙度模型在评估3D打印加速器部件性能时显现出局限性。需要针对加速器领域建立新的表面评价模型。
从全文的案例来看，在这个领域，设计理念的创新是充分发挥3D打印技术优势的关键。例如，CERN开发的螺旋射频负载就是一个典型案例，通过将传统的长直波导"盘绕"成螺旋形状，不仅实现了空间的有效利用，还提升了系统性能。
要充分利用这种设计自由度，需要设计师具备跨学科的知识背景。
机械性能、热力学特性、电磁场分布等多个维度的优化需要协同考虑，这对设计团队提出了更高要求。
展望未来，AM易道认为3D打印技术在加速器领域将迎来更广阔的应用空间：
由于加速器领域设备数量不多，都较为昂贵，定制化生产将成为主流。
随着加速器向着更紧凑、更高效的方向发展，对部件的个性化需求将不断增加。3D打印技术的灵活性恰好能够满足这种需求。
另外多材料集成将带来新的突破。
和航空航天类似，加速器的需求时常伴随着高导热/高耐热叠加或者电、波的高导与绝缘叠加的双重需求。多材料集成3D打印将成为解决这种二元性产品诉求的刚需。
通过持续的技术创新和产业链完善，3D打印技术必将在加速器制造领域发挥越来越重要的作用，推动高能物理研究和应用领域取得新的突破。
本文AM易道仅对综述原文做了核心摘要和解读，原综述文章还有大量技术细节和内容，请读者自行查阅。
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