全文5800字，阅读需8分钟。本文简述粒子加速器领域的3D打印技术、材料、应用、表面综述上集。
如果觉得AM易道文章有价值，请读者朋友帮忙转发点赞在看评论，支持AM易道创作。
AM易道本文与文中提到公司不存在任何形式的商业合作、赞助、雇佣等利益关联。
AM易道欢迎读者投稿共创并对公众号开放白名单，有兴趣的公众号主请点击查看转载说明。
图片视频来自于网络，仅作为辅助阅读之用途，无商业目的。版权归原作者所有，如有任何侵权行为，请权利人及时联系，我们将在第一时间删除。
AM易道导语：
之前的AM易道图集发布过一个粒子加速器吸收器的3D打印应用，而本文试图对整个粒子加速器领域的3D打印应用做一个简要总结。
这个总结的精髓不来自于AM易道，而是来自欧洲核子研究中心(CERN)、米兰理工大学、里加理工大学等多家知名研究机构的科学家在《Physical Review Accelerators and Beams》发表的一篇重要综述文章。
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。
本文较长，总长度约10000字，故分上下两部分分别放送。
本篇为此系列的上集，约6000字。
本文的完整PDF获取信息在下集，敬请期待下集。
当我们翻开全球科技创新版图，就会发现一个惊人的数字：超过30，000台粒子加速器正在全球运转，为科学研究、医疗诊疗、工业应用等领域提供着不可或缺的技术支持。
然而，随着更紧凑、更高效、更低成本的加速器需求不断涌现，传统制造工艺的局限性日益凸显。复杂的多步骤加工、高技能劳动力需求、昂贵的材料浪费，这些问题都在制约着加速器技术的进步。
AM易道认为，这篇综述的出现恰逢其时。增材制造（3D打印）技术正在为这一困境带来突破性的解决方案。
通过对38页的综述内容深入解读，我们看到这项技术能够通过逐层堆积的方式，一次性制造出具有复杂内部结构的整体部件，不仅可以大幅简化生产流程，还能实现传统工艺难以完成的创新设计。
引领变革：3D打印技术发展历程与现状
回溯历史，3D打印技术在粒子加速器领域的应用始于2005年。
当时，研究人员首次尝试将激光金属沉积（LMD）技术与机械加工相结合，用于制造ARIES紧凑型stellator的线圈外壳。
这次尝试开启了一个崭新的技术领域，而今天，这项技术的应用范围已经从简单的支撑结构扩展到了射频腔体、离子源等核心功能部件。
在最近的国际粒子加速器会议（IPAC）上，3D打印相关论文的数量呈现显著增长：从2019年和2020年的零篇，到2021年和2022年的3篇，再到2023年激增至12篇。
这一趋势表明，3D打印技术在加速器领域还处于学术和商业拓展的蓝海领域。
3D打印有哪些主流技术已应用于加速器领域？
这部分内容对于资深AM易道读者来说，可以快速略过。
单步工艺
独立3D打印工艺在加速器领域中包含了激光粉床、电子束粉床、激光同轴送粉、电弧送丝、冷喷涂等五中技术（如fig2）。
在众多3D打印技术中，粉末床熔融（PBF）技术因其优异的精度和灵活性成为加速器部件制造的主力军。
这项技术主要包括激光粉末床熔融（PBF-LB/M）和电子束粉末床熔融（PBF-EB）两大类。
如图2a所示，PBF-LB/M技术在惰性气体保护的密闭腔室内工作，采用高度聚焦的激光束（约30-100μm光斑）选择性熔化金属粉末。能够实现高达0.2-0.4mm的精细结构。近年来，商用设备的制造尺寸也在不断突破。
然而，在处理纯铜（在加速器领域大量使用）等高反射率材料时，传统的红外激光源（波长约1000nm）面临着严峻挑战。
如上图所示，这些材料对红外光的吸收率较低，容易导致熔化不完全等缺陷。
为此，国内外设备制造商及激光器制造商都在开发采用绿光激光源的新型设备，显著提升了对这类材料的加工能力。
与PBF-LB/M不同，PBF-EB技术在真空环境中工作，通过高能电子束实现金属粉末的选择性熔化。
这种工作环境不仅确保了材料的高纯度，其采用电磁线圈控制的电子束扫描方式还能实现几乎瞬时的光束移动。
如图2(b)所示，这种独特的工艺特点，结合材料对电子束优异的能量吸收特性，使得PBF-EB能够实现比PBF-LB/M更高的生产效率。
值得注意的是，PBF-EB技术在每层打印前都会进行预热处理。
这一步骤不仅防止了粉末床表面负电荷的累积，还为容易产生热裂纹的材料提供了更温和的冷却环境。
在每层打印前的预热过程中，电子束扫描会导致粉末颗粒发生部分烧结。
这种预烧结不仅有利于热裂敏感材料的加工（通过提供较长的高温停留时间和较慢的冷却速率），形成的轻微固结粉末床还提供了更好的电荷耗散通路，并能作为支撑，使得一些需要专门设计支撑结构的倾斜悬垂结构得以直接制造。
定向能量沉积（DED）技术则开辟了另一个应用方向。
如图2(c)和(d)所示，这项技术在材料沉积的同时进行熔化，无需提前铺展粉末层。这种特点使其特别适合大型构件的制造、现有部件的修复以及功能结构的添加。
DED的特性(包含图2e的冷喷涂)对于高价值加速器部件的维护具有重要意义。当然，未来也可能直接涉及大尺寸的加速器结构制造。
多步工艺
特别值得关注的是几种多步工艺在加速器部件制造中的独特应用。
如图4所示，这些技术虽然工序较多，但在特定场景下展现出独特优势。例如，超声波增材制造（UAM）技术已经在粒子加速器应用中进行了实践探索。
通过超声波辅助焊接将金属箔材（厚度约100-150μm）逐层堆叠，并在堆叠过程中穿插数控加工步骤，这种工艺特别适合制造需要嵌入光纤和传感器等电子元件的加速器功能部件。
粘结剂喷射技术（BJT）在加速器部件的批量制造中显示出成本优势。
这项技术无需考虑悬垂结构的支撑问题，多个部件可以在粉末床中叠加打印。
以射频波导管的制造为例，这种技术能够在单次作业中同时制造多个部件，显著提升生产效率，降低制造成本。
金属粘结剂沉积（BMD）技术在处理应力敏感的加速器部件时具有独特优势。
Upadhyay等人的研究表明，这种技术在铜质射频结构的制造中展现出良好潜力。
AM易道认为，各类3D打印技术发展为加速器部件制造提供了更多选择，特别是在批量生产、功能集成和应力控制等方面各具特色。
粒子加速器3D打印有哪些常见材料？
在粒子加速器领域，材料的选择直接关系到设备性能的上限。
纯铜与铜合金：导热导电的不二之选
纯铜及其合金凭借卓越的导电导热性能，在射频腔体、四极管、波导管和真空密封等部件中扮演着不可替代的角色。
特别是氧含量极低的OF铜（纯度>99.95%）和OFE铜（纯度>99.99%）因其极低的气体析出倾向，成为加速器关键部件的首选材料。
然而，纯铜在250℃左右就会出现软化现象，这一特性限制了其在某些高温应用场景中的使用。
为此，研发人员开发出了多种性能优化的铜合金方案。例如，在大型强子对撞机（LHC）漂移室的直段部分就采用了C10700 Cu-Ag合金，仅添加0.085%的银就显著提升了材料的软化和蠕变抗性，同时保持了与纯铜相近的导电导热性能。
AM易道认为，3D打印技术为铜及铜合金部件的制造带来了新的可能。
如图9所示的光电注入器阴极就是一个典型案例，虽然其电导率略低于传统加工的OFE铜件，但在实际射频测试中展现出相当的性能表现。
这表明3D打印铜质部件已经具备了实用价值。
超导材料：突破性能极限
纯铌（纯度>99.95%）是超导射频腔体和磁铁制造的主要材料。
它拥有9.2K的临界温度，这是纯金属中最高的，同时具有最高的下临界磁场和过热场。
更重要的是，它良好的成形性使其能够轻松塑造成腔体形状。
近年来，研究人员开始探索将3D打印技术应用于铌部件的制造。如下图(c)所示的6GHz超导射频腔就是一个突破性案例。
这种无缝腔体的制造避免了传统焊接可能带来的杂质问题，有望显著提升部件性能和可靠性。
不锈钢：可靠性的保障
不锈钢，尤其是304L和316L奥氏体不锈钢，在新一代加速器建设中发挥着关键作用。
不锈钢被广泛用于波导管、束流管、法兰和真空连接器的制造，甚至在LHC的标准偶极磁铁轭铁中也有应用。
值得注意的是，通过3D打印制造的316L不锈钢部件展现出优异的性能。
例如，图28所示的束流位置监测器（BPM）就采用了PBF-LB/M工艺制造，不仅简化了生产流程，还实现了约40%的重量减轻。
钛合金与难熔金属：特殊应用的主力
钛合金在高能物理设施中找到了广泛应用，这得益于其优异的比强度、延展性和疲劳极限。
特别是在经受脉冲束流的部件中，钛合金较低的弹性模量和热膨胀系数使其成为束流收集器和窗口的理想材料。
难熔金属如钨、钼和钽也在加速器中扮演着重要角色。这些材料的熔点超过2000℃，能够承受极端条件。
3D打印应用突破：从概念验证到工程实践
这一章节是本文的重中之重。建议读者收藏阅读。
离子源与磁铁部件
在粒子加速器的核心部件中，离子源的制造一直是一项重大挑战。传统工艺不仅需要复杂的机械加工，还面临着焊接变形和残余应力等问题。
2014年，UCLA的研究团队在这一领域实现了突破性进展。
如图9所示，他们采用PBF-EB技术成功制造了Pegasus光电注入器的铜阴极，这个创新设计不仅集成了复杂的内部冷却通道，更实现了70 MV/m的峰值电场强度。
再看看ISOL离子源钽阴极的制造突破。
如图10所示，传统工艺需要通过钨惰性气体（TIG）焊接将多个机加工零件组装在一起，这不仅增加了制造成本，还容易导致焊接变形。
而采用PBF-LB/M技术，研究人员成功实现了整体成形，将尺寸偏差控制在0.1mm以内，并在1200℃的高温测试中保持了完整的结构稳定性。
在修复技术方面，如图11所示的PIG离子源电极展示了3D打印技术的另一个重要应用方向。
研究人员通过LMD技术，使用高纯度钽粉末和丝材成功修复了运行过程中损坏的电极，这为高价值部件的维护提供了新的解决方案。
磁铁部件的制造也在3D打印技术的应用中获得重要突破。
如图12所示，15T偶极线圈的端部垫片和ARIES紧凑型stellator的线圈支撑结构都采用了这一技术。
特别是后者，通过LMD技术制造的连续卷曲环形支撑结构不仅实现了基于电磁力分布的变截面设计，还将制造成本降低了约三分之二。
在磁铁部件制造中，一个极具创新性的案例是Ferchow团队开发的超导螺线管线圈绕线器。
如图13所示，这个由316L不锈钢制造的部件展现了3D打印在设计优化方面的独特优势。
研究团队采用了两套不同的工艺参数：一套用于制造能承受最高应力的实心支柱，另一套则用于创建具有凹坑的肋板表面，以增强与环氧树脂的粘合性，确保线圈电缆能牢固地固定在绕线器凹槽中。
AM易道认为，这种基于功能需求的局部化参数优化策略具有重要启示意义。在那些不需要完全致密化的区域采用更高的激光扫描速度，不仅降低了制造时间和成本，还展示了3D打印技术在材料特性局部优化方面的独特优势。
这种设计思路为加速器磁铁部件的创新制造提供了新的范式。
射频腔体
射频腔体是加速器的核心部件，其制造精度和表面质量直接影响着加速器的性能。
2008年，Frigola团队开创性地采用PBF-EB技术制造了1.6单元射频光电注入器。
如图14所示，这个创新设计包含了六个纵向冷却通道和四个环绕耦合孔区域的通道。
特别值得一提的是，其采用的星形截面共形冷却通道（图14c）显著提升了散热效率，使腔体壁温度降低了25℃。
INFN研究团队则在超导射频腔体制造方面取得突破。
如图15所示，他们成功使用PBF-LB/M技术制造出6GHz超导射频腔，包括纯铜和纯铌两种材料版本。
特别是在铌腔体的制造中，团队开发出了创新的非接触支撑结构，有效改善了下表面的加工质量。
在超导微波腔体领域，Creedon团队如下图所示，他们采用PBF-LB/M技术使用Al12Si合金成功制造了超导微波腔体。
选择这种硅含量较高的铝合金是经过深思熟虑的—高硅含量促进了共晶相的形成，较窄的凝固范围和熔态下更好的流动性有效防止了热裂纹的产生，使得该材料适合激光加工。
更引人注目的是，将打印后的器件在600℃下退火4小时。
这种显著提升源于退火过程促进了硅从过饱和固溶体中析出，留下了具有更高电导率的纯净铝基体。
同样值得关注的是Holland团队在钛合金超导微波腔体方面的突破。
如图16(b)所示，他们采用PBF-LB/M技术使用Ti6Al4V粉末一体化制造了创新的锥形谐振器，实测谐振频率（ω0/2π = 7.50 GHz）与仿真数据高度吻合，验证了3D打印技术在精密腔体制造中的可行性。
在常温加速器结构方面，漂移管加速器（DTL）的制造也展现出3D打印技术的独特优势。
如图17所示，研究人员成功开发出了一种五单元DTL原型，其中包含四个漂移管和贯穿整个腔体的冷却通道网络。
传统设计中，每个漂移管都需要两个支撑杆来确保焊接过程中的稳定性。而通过PBF-LB/M技术，设计师得以采用单支撑杆结构，这不仅降低了电磁场干扰，还使得并联阻抗提升了约18%。
再来看看3D打印双周期侧耦合直线加速器结构的制造。
如图18所示，研究人员利用PBF-LB/M技术的灵活性，在每个单元实现了最优的长度设计，这在传统制造方法中因成本原因几乎无法实现。
这种按需优化的能力，为加速器性能的提升开辟了新的可能。
Wehner团队利用PBF-LB/M技术将复杂的速调管电路简化为两个完美配合的整体部件（下图）。
通过氢气炉钎焊连接，显著降低了传统多步骤制造中的错位风险。
Hähnel团队在交指H模（IH）漂移管加速器结构的研究同样引人注目。
如图20所示，他们的316L不锈钢腔体不仅集成了真空测试和射频测量所需的功能结构，创新的冷却通道设计更是延伸至漂移管支撑杆。
经过工艺优化，该结构实现了约10^-7的极限真空度，工作频率和品质因数均达到预期水平。
虽然纯铜版本（图20c）的初始品质因数较低，但通过300-400℃退火处理后获得了18%的性能提升。
射频四极管（RFQ）的制造也取得重要进展。Torims团队采用绿光激光源PBF-LB/M设备，开发出系列RFQ原型（图21）。
从最初的部分结构发展到400mm完整版本，其拓扑优化设计不仅减轻了37%的重量，还显著提升了制造效率。
AM易道认为，这些案例展示了3D打印技术在复杂射频结构制造中的优势，特别是在结构简化、性能优化和制造效率提升方面的潜力。
上集先到这里，下集将继续丰富更多的应用案例以及表面抛光相关分享。
AM易道读者专属福利：通过以下二维码预约的读者，请截图您的预约二维码，可以向AM易道免费咨询一个行业问题，或在公众号文章中免费宣传一次，终身有效。
联系AM易道编辑：
加编辑个人微信 amyidao（务必注明来意）：投稿、广告、合作、加入读者微信群、讨论文章内容、兴趣话题，前沿消息、行业内情、共同洞见3D打印的未来图景。
（正文内容结束）
延伸阅读：
联系AM易道编辑：
加编辑个人微信 amyidao（务必注明来意）：投稿、广告、合作、加入读者微信群、讨论文章内容、兴趣话题，前沿消息、行业内情、共同洞见3D打印的未来图景。
