想象一下，你可以随时随地制造复杂的设备。即使在最偏远的地方，如在航天器上制造备件或新部件，也会产生无法预见的可能性。3d打印或增材制造可能就是实现这一目标的一种方式。你所需要的只是设备的材料，一台打印机和一台控制这一过程的电脑。
戴安娜·甘齐娜，能源部SLAC国家加速器实验室的科学家;北卡罗莱纳州立大学机械和航空航天工程助理教授蒂莫西·霍恩;RadiaBeam Technologies的研究人员梦想着开发一种打印粒子加速器和真空电子设备的技术，用于医疗成像和治疗、电网、卫星通信、国防系统等领域。
事实上，研究人员比你想象的更接近于实现这一目标。
“我们正在尝试打印一个粒子加速器，这真是雄心勃勃，”Gamzina说。“在过去的几年里，我们一直在开发这种技术，现在我们已经可以打印出粒子加速器的组件了。3d打印的全部意义就在于，无论你身在何处，都能在没有大量基础设施的情况下完成工作。因此，你可以在军舰上、大学的小实验室或某个非常偏远的地方打印粒子加速器。”
3-D打印可以用多种材料的液体和粉末来完成，但目前还没有成熟的3-D打印超高纯度铜及其合金的工艺——Gamzina、Horn和他们的同事希望使用这种材料。他们的研究重点是开发这种方法。
不可或缺的铜
加速器提高粒子束的能量，真空电子设备用于放大器和发电机。这两种材料都依赖于易于成型、导热和导电的材料。铜具有所有这些特性，因此被广泛使用。
传统上，每个铜部件都是单独加工的，并通过加热与其他部件结合形成复杂的几何形状。这种制造技术非常普遍，但也有它的缺点。
霍恩说:“将多个零部件硬焊在一起需要大量的时间、精度和小心。”“任何时候，只要你在两种材料之间有一个接合点，就会增加一个潜在的故障点。因此，有必要减少或消除这些装配过程。”
3-D铜版印刷的潜力
3d打印铜部件可以提供一种解决方案。
它的工作原理是将一层又一层的薄材料叠加起来，慢慢地建立特定的形状和物体。在Gamzina和Horn的作品中，所用的材料是非常纯的铜粉。
这个过程开始于物体的3d设计，或“施工手册”。由计算机控制，打印机在一个平台上散布几微米厚的铜粉层。然后，它移动平台约50微米——相当于人类头发厚度的一半——并在第一层的上面铺上第二层铜层，用电子束将其加热到约2000华氏度，并与第一层焊接。这个过程一遍又一遍地重复，直到构建完整个对象。
惊人的部分:没有特定的工具，夹具或模具是必要的程序。因此，3d打印消除了传统制造过程中固有的设计限制，允许构造独特复杂的对象。
为Gamzina和Horn设计和测试3d打印样品的SLAC的科学家Chris Nantista说:“形状对3d打印来说并不重要。”“你只要输入程序，启动你的系统，它几乎可以构建任何你想要的东西。它开辟了一个潜在形状的新空间。”
例如，该团队利用NCSU的内部冷却通道建造了部分速调管——一种放大射频信号的专用真空管。整体式结构改善了设备的传热和性能。
与传统制造业相比，3d打印也更省时，可以节省高达70%的成本，Gamzina说。
一个具有挑战性的技术
但是，正如霍恩多年前开始与RadiaBeam的合作者开发这项技术时所知道的那样，打印铜设备也有其自身的挑战。一个问题是在打印物体的热、电特性和强度之间找到合适的平衡。但是，制造加速器和真空电子产品的最大障碍是，这些高真空设备需要极高质量和纯材料，以避免部件故障，如开裂或真空泄漏。
研究团队通过首先改善材料的表面质量，使用更细的铜粉和改变它们融合层的方式来解决这些挑战。然而，使用更细的铜粉带来了下一个挑战。它允许更多的氧附着在铜粉上，增加每一层的氧化物，使打印出来的物体不那么纯净。
因此，Gamzina和Horn不得不想办法降低铜粉中的氧含量。他们最近在《应用科学》(Applied Sciences)杂志上报道了他们提出的方法，该方法依靠氢气将氧与水蒸气结合，并将其从粉末中分离出来。
霍恩说，使用这种方法多少有些令人吃惊。在传统制造的铜制品中，水蒸气的形成会在材料内部产生高压蒸汽泡，材料会起泡并失效。另一方面，在添加过程中，水蒸气逐层逸出，从而更有效地释放水蒸气。
尽管这项技术已经显示出了巨大的潜力，科学家们仍然有一种方法来降低氧含量，使之足以打印出一台真正的粒子加速器。但是他们已经成功地打印了一些部件，比如带有内部冷却通道的速调管输出腔和一串可用于粒子加速的耦合腔。
计划与行业伙伴合作
该项目的下一阶段将由新成立的研究铜添加剂性能的联盟来推动，该联盟由Horn领导。该联盟目前有四个活跃的行业成员——西门子、通用电气添加剂、RadiaBeam和Calabazas Creek research——还有更多的成员。
“这将是一个学术机构、国家实验室和大大小小的企业合作的好例子，”Gamzina说。“这会让我们一起解决这个问题。我们的工作已经让我们在不到两年的时间里从‘只是想象，这是疯狂的’变成了‘我们可以做到’。”