世界首个3D打印超高真空室,1E-10mbar稳定运行,重量减轻70%!

3D打印资讯
2021
10/14
11:47
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本帖最后由 小软熊 于 2021-10-14 11:47 编辑

来源: iVacuum

我们知道,增材制造对很多领域的研究和工业生产都产生了巨大影响,但迄今为止,用增材制造的方法生产超高真空系统已经被证明难以实现,并且普遍认为是不可能实现的。2021年4月,在学术期刊Additive Manufacturing发表的一篇论文中,成功造出了全世界第一个用增材制造方法实现的超高真空室,能够在低于10-10mbar的压力下工作,而且增材制造材料的总放气不超过3.6×10-13mbar l/(s mm2)。真空室是用AlSi10Mg材料,通过激光粉末床熔融技术生产的。详细的表面分析显示,在增材制造的材料上形成了氧化的、富镁的表面层,这个表面层在实现达到超高真空方面发挥了关键作用。

证明了增材制造(AM)适用于超高真空(UHV)设备的生产,从而为整个高真空和超高真空领域的快速成型、减重和增强功能等打开了机会之门。

超高真空系统的应用非常广,从已有的技术,如光电传感器、照相机、低温杜瓦、电子显微镜和X射线光电子能谱分析仪,到重要的新兴研究领域,比如基于冷原子的便携式量子传感器,无不应用了超高真空。AM可以促进上述所有领域的基础研究和技术发展,因为该技术可以大大减小相关UHV设备的尺寸,减轻重量,缩短开发周期。比如这篇论文所研发的UHV腔室是通过激光粉末床熔融(POBF)技术,用AlSi10Mg材料进行制造的,重量仅为245克,比同等标准的真空室减轻了70%。这种级别的减重对于促进UHV的天基应用至关紧要,例如使用星载量子传感器对基础物理学进行试验研究。

然而,尽管最近在金属的AM加工方面取得了一些进展,但是尚没有人用AM技术制造出一个完整的UHV腔室。让UHV腔室获得优异性能的挑战在于:表面粗糙度、孔隙率和极限硬度(limited hardness)。表面粗糙可导致放气率增加,孔隙率较大可能会产生泄漏或因存在“死空间”而导致虚漏,而极限硬度不够则会降低真空连接处刀口密封的有效性。

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图1  用增材制造方法打造的超高真空室 (a)实物照片;(b)被磁光阱捕获的85RB冷原子云的荧光图像。原子云的直径约为10毫米。

AM金属的这些特性,使得研究者怀疑它究竟是否适合用来制造UHV部件。与钛合不锈钢等金属相比,AlSi10Mg合金具有更高的导热系数,这可能会有助于提高3D打印时的一致性,并减少构建缺陷。在本篇论文中,研究人员利用光学和电子显微镜、质谱分析和X射线光电子能谱分析等,对增材制造AlSi10Mg的表面进行了详细分析。分析表明,这种AM材料表面的严重氧化、富镁的表面层,很好地抑制了材料的放气。因此,这种真空室很容易就能维持低于10-10mbar的压力。

如上图1(b)所示,这种真空性能足以使磁光阱(MOT)捕获85RB的冷原子云。MOT是几乎所有基于冷原子的实验和装置的基础,其中包括用于精确计时的原子钟,应用于地质学、导航和土木工程的高精度重力计,以及用于导航和医学成像的冷原子磁力计。AM方法在UHV设备上的应用,将使这一重要的新兴领域获益匪浅。

前景广阔
用AM方法制造了一个能够在低于10-10mbar的压力下工作的超高真空腔室,经过几个月的运行,没有观察到腔室性能有所降低。

作者认为,将AM方法引入UHV设备领域,具有巨大的潜力,可以减小现有系统的尺寸和材料消耗,减小重量,并且能实现具有更多功能的新型便携式系统。此外,用AM还可制造出高比表面的元素,以提高相关真空泵装置的效率,比如钛升华泵。而且研究表面层镁富集的成因机制也可能很有意义。这项研究也可能有助于进一步增加超高真空系统用AM方法制造的选项。

详情可以参见论文原文:https://www.sciencedirect.com/sc ... 21000634?via%3Dihub


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