Additiv gefertigte Kupferbauteile für Teilchenbeschleuniger
Weltpremiere: Fraunhofer IWS druckt erstmals Quadrupol-Bauteile für
Linearbeschleuniger
Eine neue Generation von Teilchenbeschleunigern soll Krebstherapie,
Drogenfahndung und Materialanalyse auf eine höhere Stufe heben: Diese
Linearbeschleuniger sind so kompakt, dass sie selbst für kleinere
Krankenhäuser, Flughäfen und Labore erschwinglich werden. Um diese
Entwicklung zu fördern, setzt das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS gemeinsam mit der Europäischen Organisation für
Kernforschung (CERN) in der Schweiz, der lettischen Riga Technology
University (RTU) und der Politecnico di Milano (PoliMi) auf lasergestützte
3D-Drucker: Im Rahmen des »I.FAST«-Projekts, das darauf abzielt, die
Innovation von Beschleunigern zu fördern und das die Europäische
Kommission im Programm Horizont 2020 kofinanziert, ist es nun weltweit
erstmalig gelungen, wichtige Quadrupol-Bauteile für Linearbeschleuniger
aus reinem Kupferpulver additiv zu fertigen.
Dies eröffnet perspektivisch neue Wege hin zu einer kommerziellen
Produktion und zum praktischen Einsatz derartiger Anlagen, die auf dem
Prinzip der »High Frequency Radio Frequency Quadrupole« (HF-RFQ) basieren.
Möglich sind damit zum Beispiel bessere und stärker automatisierte Drogen-
und Waffenkontrollen auf Flughäfen. Die Forschenden sehen großes Potenzial
im 3D-Kupferdruck: »Damit können wir die Fertigungszeiten deutlich
verkürzen«, prognostiziert Samira Gruber, die am Fraunhofer IWS Expertin
für die additive Fertigung von Kupfer und Kupferlegierungen ist. »Möglich
wird so beispielsweise ein schneller Prototypenbau. Dies kann die
Weiterentwicklung der Beschleunigertechnologie deutlich voranbringen.«
Durch die additive Fertigung lässt sich außerdem Material einsparen und so
der Ressourcenverbrauch von Kupfer im Vergleich zu klassischen Verfahren
verringern.
Was sind Quadrupol-Beschleuniger?
Diese Argumente fallen erheblich ins Gewicht, wenn sich diese kompakten
Beschleuniger breiter durchsetzen sollen. Denn Hochfrequenz-Quadrupole,
die auf einer neuen, am CERN entwickelten Technologie basieren, sind die
entscheidenden Bauteile und Taktgeber für diese neue Generation von
Anlagen. In den Quadrupolen stehen sich vier abwechselnd gepolte
Elektroden gegenüber, die sich wie Blütenblätter um eine zentrale
Teilchenflugbahn anordnen. Legt der Nutzer eine Wechselspannung an, bauen
sich schnell wechselnde elektrische Felder auf. Diese schicken die
Teilchen zwischen den wellig geformten Elektrodenspitzen auf eine Art
Wellenritt, der sie mit jedem passierten »Elektroden-Blütenblatt« mit
jedem Quadrupol immer näher an die Lichtgeschwindigkeit heranbringt.
Anders als ihre meist riesigen unterirdischen Brüder, die
Ringbeschleuniger, nehmen diese Linearbeschleuniger oft kaum mehr Raum als
ein Wohnzimmer ein.
Grüner Laser macht bei Bauteiloptimierung bislang Unmögliches möglich
Weil die Anlagen im Langzeitbetrieb viel Abwärme erzeugen, bestehen die
taktgebenden Quadrupole aus reinem Kupfer. Denn dieses Metall leitet Strom
und Wärme besonders gut. Bisher war die Produktion der Quadrupole
allerdings sehr aufwendig: Sie werden aus Halbzeugen in Form gefräst und
dann aus sehr vielen Einzelteilen zusammengesetzt. Deshalb haben die
Forschenden des Fraunhofer IWS, RTU und PoliMi nun eine Alternative
entwickelt. Sie schmelzen dafür mit einem grünen Laser reines Kupferpulver
auf. Aus dieser Metallschmelze formen sie dann das Viertelsegment eines
Quadrupols. Dabei sparen sie Material überall dort ein, wo es für die
Bauteilfestigkeit nicht gebraucht wird. In klassischen
Metallverarbeitungsverfahren dagegen ist diese Bauteiloptimierung sehr
aufwendig, an manchen Stellen sogar überhaupt nicht machbar. Die neue
Fertigungsmethode mindert insofern den Kupferverbrauch und sorgt für
leichtere Quadrupol-Segmente, die innerhalb eines Tages fertig aufgebaut
sind.
Eine Vergrößerung des Bauraumes von Laserschmelzanlagen mit grünem Laser
wird es demnächst ermöglichen, ganze Quadrupol-Segmente per 3D-Druck
herzustellen. Aber auch mit den jetzt erzeugten Viertelsegmenten sind
bereits die nächsten Projektphasen möglich: Zum Beispiel weisen die
Bauteile aus der additiven Fertigung erfahrungsgemäß raue
Oberflächentopologien auf. Das heißt: ihre Oberfläche ist oft rau. Zu
analysieren ist daher am Protoptypen, ob und wie die 3D-Druck-Quadrupole
nachträglich geglättet werden müssen – beispielsweise durch eine plasma-
oder elektrochemische Politur.
Auf der Projektagenda stehen außerdem Versuche, ob und wie sich kleine
Verschleißschäden an Beschleunigern mithilfe additiver
Fertigungstechnologien nachträglich reparieren lassen, ohne ganze Bauteile
verschrotten zu müssen. »Wir wollen aber auch untersuchen, welche anderen
Werkstoffe und Bauteile für die additive Fertigung für Beschleuniger in
Frage kommen«, sagt Samira Gruber.
Einsatz für Protonentherapie und automatische Rauschgift-Erkennung denkbar
Denn die Linearbeschleuniger sind nicht nur für Teilchenphysiker
interessant. Auf dem Gebiet der Medizintechnik lassen sie sich sowohl für
die Protonentherapie gegen besonders heimtückische Tumore im Bauchraum
oder im Gehirn einsetzen als auch für die Herstellung medizinischer
Isotope. Am CERN werden noch viele andere Anwendungen für die Quadrupol-
Beschleuniger erforscht – einschließlich der Materialanalyse – mit dem
Ziel, Meisterwerke der Kunst zu untersuchen. Beschleuniger bieten
erhebliche Marktchancen. Momentan sind weltweit etwa 30 000 Beschleuniger
im Einsatz, schätzen die kalifornischen Branchenexperten Robert Hamm und
Marianne E. Hamm in ihrer Analyse »Industrial Accelerators and Their
Applications« aus dem Jahr 2012. Mit diesen Anlagen fertigen und
analysieren demnach Unternehmen und Institute rund um den Erdball
industrielle Waren im Wert von 500 Milliarden US-Dollar pro Jahr.
Nähere Informationen bietet diese Publikation:
Torims, Toms, Pikurs, Guntis, Gruber, Samira, Vretenar, Maurizio, Ratkus,
Andris, Vedani, Maurizio, Lopez, Elena, & Brückner, Frank. (2021). FIRST
PROOF-OF-CONCEPT PROTOTYPE OF AN ADDITIVE-MANUFACTURED RADIO FREQUENCY
QUADRUPOLE. Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo
Infobox
EU fördert »I.FAST« mit zehn Millionen Euro
Das Projekt I.FAST zielt darauf ab, die Innovation in der Gemeinschaft der
Teilchenbeschleuniger zu fördern, indem es die Entwicklung bahnbrechender
Technologien für mehrere Beschleunigerplattformen aufzeigt und
erleichtert. In Anbetracht des großen Potenzials neuer
Beschleunigertechnologien unterstützt die Europäische Kommission das
Projekt im Rahmen ihres Programms Horizont 2020 mit insgesamt zehn
Millionen Euro. An dem Projekt sind 49 Partner beteiligt, darunter 17
Industrieunternehmen als Co-Innovationspartner. Die additive Fertigung von
Quadrupolen ist eines der Teilprojekte.
Weitere Informationen über das Dachprojekt I.FAST im Netz:
https://ifast-project.eu/about
