Technologie

Bauteil für Beschleuniger aus dem 3D-Drucker

11.11.2022 - Radiofrequenz-Quadrupol aus Kupfer in einem Stück gedruckt.

Das Technologie­unternehmen Trumpf hat im Rahmen des von der EU geförderten und vom Cern koordinierten Projekts I.FAST erstmals eine Kern­komponente künftiger Teilchen­beschleuniger additiv gefertigt. Das Besondere daran: Zum ersten Mal ist es gelungen, dieses kritische Kupferbauteil in einem Stück zu drucken. „Das ist der Beweis, dass Anwender große Kupfer­bauteile mit einer Bauteilhöhe von fast 400 Millimetern mit unseren Maschinen additiv mit großer Präzision herstellen können – oder anders ausgedrückt: Mit dem 3D-Druck können wir auch hochpräzise Teile wie dieses schneller, kosten­günstiger und energie­effizienter fertigen“, sagt Michael Thielmann, Experte für additive Fertigung bei Trumpf. 

Es handelt sich um einen Radiofrequenz-Quadrupol (RFQ), eines der komplexesten Teile eines Beschleuniger­komplexes. Der RFQ beschleunigt den Teilchenstrahl und bringt ihn damit nahezu auf Lich­tgeschwindigkeit. „Derzeit sind weltweit mehr als 30.000 Beschleuniger im Einsatz, die meisten davon im Gesundheits­wesen und in der Industrie. Die additive Fertigung kann dazu beitragen, die Größe und die Kosten aller Arten von Beschleu­nigern zu verringern, indem es ihre Herstellung verbessert und verkürzt, und ihre Leistung erhöht“, sagt Maurizio Vretenar vom Cern und Projekt­koordinator von I.FAST (Innovation Fostering in Accelerator Science and Technology).

Ziel des strategischen Projekts ist es, Europa eine Führungsrolle bei Teilchen­beschleunigern für Wissenschaft und Gesellschaft zu verschaffen beziehungs­weise diese auszubauen. Der Schwerpunkt liegt dabei unter anderem auf dem 3D-Metalldruck. „Es liegt auf der Hand, dass wir in Zukunft in der Beschleuniger­gemeinschaft und in unseren Anlagen zunehmend additiv gefertigte Komponenten einsetzen werden“, sagt Toms Torims von der Technischen Universität Riga, der das I.FAST-Arbeitspaket für fort­schrittliche Beschleuniger­technologien koordiniert. 

Das I.FAST Expertenteam von Cern, Politecnico de Milano, CNRS-IN2P3, Fraunhofer IWS und der Tech­nischen Universität Riga hat das komplexe Bauteil speziell für die TruPrint 5000 Green Edition von Trumpf entwickelt. Für das RFQ gelten sehr hohe Anforderungen an den Fertigungs­prozess. „Hier kommt unsere TruPrint 5000 Green Edition ins Spiel. Dank des grünen Lasers können wir selbst feinste Kupfer­strukturen in hoher und gleich­bleibender Qualität drucken und dabei die Produktivität steigern“, sagt Thielmann. 

Bisher fertigten die Zulieferer die RFQs für wissen­schaftliche Labore und für die Industrie mit konven­tionellen Methoden. Viele einzelne Produktions­schritte wie Fräsen und Löten waren notwendig. Bei der additiven Fertigung entfallen viele Zwischenschritte. So kann das System Hohlräume wie Kühlkanäle gleich mitdrucken. „Mit unserem grünen Laser sind wir auch bei der additiven Fertigung von Kupfer­bauteilen schneller als vergleich­bare Anlagen mit Infrarot-Techno­logie“, sagt Thielmann. Das Kupfer absorbiert den grünen Laserstrahl besser als den eines Infrarot-Lasers und lässt sich dadurch besser bearbeiten. „Wir brauchen weniger Energie, um so schnell wie ein Infrarot­laser zu sein, oder wir können mit der gleichen Energie schneller arbeiten“, sagt Thielmann. So können Anwender mit dem grünen Laser Kupfer­bauteile kosten­günstiger additiv herstellen.

Trumpf / JOL

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