根據3D科學谷的市場瞭解，據加州行業專家 Robert Hamm 和 Marianne E. Hamm 在 2012 年的分析“工業加速器及其應用”中估計，目前全球約有 30,000 個加速器在使用中。
新一代粒子加速器旨在將癌症治療、藥物檢測和材料分析提升到更高水平：這些直線加速器非常緊湊，即使是小型醫院、機場和實驗室也能負擔得起。為了支援這一發展，弗勞恩霍夫材料和光束技術研究所Fraunhofer IWS 與瑞士的歐洲核研究組織 (CERN)、拉脫維亞的里加科技大學 (RTU) 和米蘭理工大學 (PoliMi) 一起專注於基於鐳射的3D 列印：作為 I.FAST 專案的一部分，旨在加強加速器的創新。
這個專案由歐盟委員會的 Horizon 2020（歐洲地平線2020計劃）共同資助，研究人員在全球範圍內首次成功地使用純銅增材製造直線加速器的基本四極杆元件。
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結構一體化的中空結構
綠色鐳射熔化純銅粉並由此產生四極杆的四分之一。
Fraunhofer IWS
這就是Fraunhofer IWS研究所開發的完整的四極杆經典設計中的外觀，其工作原理是高頻射頻四極 (HF-RFQ)，這些四極電極連線成一排，將質子加速到非常高的速度。這一成功為此類系統的商業生產和實際使用開闢了新的前景。
理解高頻射頻四極 (HF-RFQ)可以從理解射頻四極(Radio Frequency Quadruple簡稱RFQ)的角度出發。
射頻四極加速器是直線加速中最常用的加速結構。RFQ加速器線上執行時,腔體內表面的射頻功率耗散使加速器腔體發熱變形,產生頻率漂移,從而影響束流品質和傳輸效率。對於連續波(Continuous wave簡稱CW)工作條件,RFQ加速器的熱穩定性是線上除錯過程中的一個重要問題。RFQ加速器的冷卻系統的作用是保持腔體結構的熱穩定性,限制腔體結構的變形,同時可以調諧加速器腔體的頻率。
趙博
那麼高頻射頻四極 (HF-RFQ)的特點是什麼呢？
基於 CERN 開發的新技術的高頻四極杆是新一代設施的關鍵元件。在四極杆中，四個交替極化的電極彼此面對，像花瓣一樣圍繞中心粒子軌跡排列。如果使用者施加交流電壓，將建立快速變化的電場。這些場在波浪狀電極尖端之間傳送粒子，使它們越來越接近光速，透過每個四極杆的“電極花瓣”。與通常巨大的環形加速器不同，這些直線加速器更緊湊。
這些系統可用於在機場進行更好、更自動化的毒品和武器檢查。科學家們看到了 3D 銅列印的巨大潛力，根據弗勞恩霍夫 IWS 純銅和銅合金增材製造專家，這種方法將能夠顯著減少製造時間，例如，快速原型設計將成為推動加速器技術未來發展的可能。今天，許多銅零件在透過鍛造或鑄造的製造工藝獲得加工。然而，3D列印-增材製造工藝開闢了生產高度複雜幾何形狀的新選擇，而這在常規制造工藝中根本不可能實現。
由於銅的導熱性和導電性非常好，因此，當這種金屬可以在3D列印-增材製造系統中進行處理，則將對目前和未來的銅產品的設計與製造構成重大改進潛力。此外，與傳統工藝相比，增材製造可以節省材料，從而減少銅的資源消耗。
3D科學谷《銅金屬3D列印白皮書》
綠色鐳射使部件最佳化成為可能
由於系統在長期執行過程中會產生大量廢熱，因此四極杆由純銅製成。這種金屬非常好地導電和導熱。
3D科學谷瞭解到四極杆的生產一直非常複雜：它們由半成品銑削成型，然後由大量單個零件組裝而成。根據3D科學谷的瞭解，從製造的角度上來看，這需要複雜的設計和廣泛的冶金工藝路線，然後將多個元件組裝、釺焊或焊接成最終零件。在傳統制造工藝中，每個銅元件都是單獨加工然後再焊接組裝的，將多個零件釺焊在一起需要大量時間，精度和維護，而且兩種相連的材料之間可能存在潛在的質量隱患。
因此，Fraunhofer IWS、RTU 和 PoliMi 的研究人員現在開發了一種替代方案：他們用綠色鐳射熔化純銅粉，這些銅材料形成了四極杆的四分之一部分。在3D列印過程中，可以節省不需要部件強度的材料。另一方面，在傳統的金屬加工方法中，這種部件最佳化非常耗時，在某些地方甚至根本不可行。因此，新的生產方法減少了銅消耗，並提供了可以在一天內組裝的更輕的四極杆段。
成品四極杆四分之一段，具有節省材料的中空結構和冷卻通道。
Fraunhofer IWS
根據3D科學谷的瞭解，金屬3D列印技術為銅元件的設計最佳化帶來了空間，但是銅的增材製造是充滿挑戰的。銅的高導熱率可迅速從熔池中帶走熱量，從而促進區域性和整體形成高熱梯度，殘餘應力累積和失真。固結材料與周圍粉末床之間的熱導率顯著差異加劇了變形和扭曲。熔池的快速固化和熔融銅的低粘度，也易於導致氣孔等缺陷。
3D科學谷《銅金屬3D列印白皮書》
Fraunhofer透過短波綠色鐳射對金屬進行幾乎無缺陷的處理，實現了以前純銅無法實現的新生產方法。可以用於製造航空航天和汽車工業的由純銅和銅合金製成的複雜部件，並且可以提高銅金屬零件的製造效率。
不過根據3D科學谷的瞭解，目前該研究並沒有到產業化階段，例如，3D列印-增材製造的銅部件具有粗糙的表面結構。因此，必須分析原型以最佳化加工工藝，並決定是否透過等離子體、電化學或鐳射拋光等方法平滑 3D 列印四極杆。
該專案還可以擴充套件到確定是否以及如何使用增材製造技術修復加速器上的輕微磨損損壞，而不必報廢整個元件的測試。此外，科學家還打算研究哪些其他材料和元件可以考慮用於加速器的增材製造。
知之既深，行之則遠，3D科學谷為業界提供全球視角的增材與智慧製造深度觀察，有關3D列印在銅增材製造領域的更多分析，請關注3D科學谷《銅金屬3D列印白皮書》。
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