Motivation und Problemstellung
Lineare Teilchenbeschleuniger (Linacs) sind für zahlreiche Anwendungen in Industrie, Medizin und Forschung von zentraler Bedeutung. Ihr Einsatz wird jedoch häufig durch hohe Investitionskosten begrenzt, die maßgeblich durch die konventionelle Fertigung zentraler Hochfrequenz (HF)-Komponenten, wie der HF-Kavität, bestimmt werden.
Die additive Fertigung, insbesondere das laserbasierte Pulverbettverfahren für Metalle (PBF-LB/M), bietet das Potenzial, diese Kosten zu senken und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit von Linacs zu verbessern. Für den Betrieb von HF-Kavitäten ist jedoch Vakuumdichtheit erforderlich. Additiv gefertigte Monomaterial-Kavitäten waren bislang weitgehend auf O-Ring-Dichtungen beschränkt, was Anwendungen limitiert, bei denen metallische Schneidkantendichtungen erforderlich sind.
Ziel unseres Projekts ist es daher, das Potenzial der Multi-Material-Fertigung mittels PBF-LB/M (MM-PBF-LB/M) für HF-Kavitäten zu untersuchen. Der Fokus liegt zunächst auf Radio-Frequency Quadrupoles (RFQs), die zu den etablierten HF-Kavitäten für Ionenbeschleuniger zählen.
Demonstrator im Überblick
Die Innengeometrie des RFQ-Demonstrators folgt der klassischen Vier-Vane-Anordnung konventioneller RFQs und besteht aus der Kupferlegierung CuCr1Zr. Die äußere Hülle sowie integrierte Funktionselemente werden aus Werkzeugstahl 1.2709 gefertigt. Dazu zählen sechs ConFlat®-Flansche, die eine vakuumdichte Verbindung ohne O-Ringe ermöglichen und damit einen zentralen Vorteil der MM-PBF-LB/M-Technologie demonstrieren.
Auch das Kühlsystem nutzt die gestalterischen Möglichkeiten des PBF-LB/M-Prozesses. Es liegt nur 1 mm unterhalb der Innenoberfläche und verläuft im Übergangsbereich zwischen Stahl und CuCr1Zr. Dadurch kann die in HF-Kavitäten auftretende thermische Last effizient abgeführt werden.
Nach unserem Kenntnisstand wurde vor diesem RFQ-Demonstrator noch keine HF-Kavität mittels MM-PBF-LB/M hergestellt. Der Demonstrator dient daher der Bewertung der grundsätzlichen Eignung dieses Fertigungsansatzes für Teilchenbeschleuniger, insbesondere hinsichtlich Vakuumdichtheit, Materialverbund und funktionaler Integration.
Methodik und Umsetzung
Elektromagnetische und Mechanische Simulation
Die Innengeometrie und die elektromagnetischen Eigenschaften des RFQ-Demonstrators wurden mit CST Microwave Studio® ausgelegt. Zur Bewertung der mechanischen Stabilität wurde zusätzlich eine Finite-Elemente-Analyse mit Ansys Workbench 2024 R2 durchgeführt.
MM-PBF-LB/M-Prozess
Die Fertigung erfolgte auf einer SLM 280HL-Anlage von Nikon SLM Solutions AG, die von Fraunhofer IGCV für den Mulit-Material Druck angepassten wurde. Zur prozesssicheren Herstellung wurde eine minimale Wandstärke von 1 mm eingehalten. An den Multi-Material-Grenzflächen wurde eine Überlappung von 0,2 mm in der xy-Ebene vorgesehen.
Da MM-PBF-LB/M noch eine vergleichsweise junge Technologie ist, orientierten sich die Abmessungen des Demonstrators am maximal verfügbaren Bauraum. Die maximalen Abmessungen des Demonstrators betragen daher 95 mm, 95 mm und 91 mm (x, y, z).
Nachbearbeitung
Nach dem Entpulvern wurde der Demonstrator mittels Drahterodieren von der Bauplatte getrennt. Anschließend erfolgte eine CNC-Nachbearbeitung der Flansche, um standardisierte, vakuumdichte ConFlat®-Verbindungen zu ermöglichen. Zur Reduktion der Oberflächenrauheit und Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit wurde die Kupferoberfläche zunächst elektropoliert und anschließend mit einer etwa 10 µm dicken Kupferschicht elektrochemisch beschichtet.
Ergebnisse und Erkenntnisse
RFQ Demonstrator
Der gefertigte RFQ-Demonstrator zeigte nach der Nachbearbeitung keine makroskopischen Defekte.
Vakuum
Die integrale Helium-Leckrate des RFQ-Demonstrators wurde mit einem Helium-Leckdetektor des Typs Pfeiffer ASM 340 DRY bestimmt. Dazu wurde der Demonstrator mit Helium gefüllt und anschließend in einer DN160CF-Vakuumsektion platziert. Die gemessene Helium-Leckrate lag unter 6∙10^(-8) mbarL/s und erfüllt damit die Anforderungen vieler Linac Anwendungen.
Elektrische Leitfähigkeit
Zusätzlich wurden Resonanzfrequenz und Gütefaktor des RFQ-Demonstrators mit einem Siglent SNA5012A Vector Network Analyzer bestimmt. Im Vergleich zum simulierten Gütefaktor zeigte sich eine Reduzierung um etwa 10 %, wie sie auch bei konventionell gefertigten RFQs zu erwarten ist. Durch eine weitere Optimierung der Nachbearbeitung kann diese Abweichung bei zukünftigen MM-PBF-LB/M-RFQs voraussichtlich weiter reduziert werden.
Anwendungsfälle und Transferpotenzial
Weltweit sind mehr als 40.000 Beschleunigeranlagen in Betrieb, wobei ihre Zahl weiter zunimmt. Linacs werden unter anderem in der Strahlentherapie, Lebensmittelsterilisation, zerstörungsfreien Prüfung, Mikroelektronik, Materialanalyse, Abgasbehandlung sowie in Forschung und Entwicklung eingesetzt.
Additiv gefertigte HF-Kavitäten können dazu beitragen, Investitionskosten von Linacs um bis zu 70 % zu senken und gleichzeitig deren Leistungsfähigkeit um bis zu 25 % zu erhöhen. AM-basierte Kavitäten könnten daher für zukünftige Beschleunigeranlagen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Das Projekt leistet damit einen Beitrag zur Weiterentwicklung wirtschaftlicher und leistungsfähiger Teilchenbeschleunigertechnologien für zentrale wissenschaftliche und technologische Anwendungen.
Weiterführende Informationen
Das Projekt wurde in einer Kooperation zwischen dem Institut für Angewandte Physik und Messtechnik (Fakultät LRT), dem Institut für Konstruktions- und Produktionstechnik (Fakultät MB) sowie dem Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV) vorangetrieben.
Publikationen:
Brenner, S., Dickmann, M., Helm, R. et al. A radio-frequency quadrupole prototype additively manufactured as a multi-material component. Prog Addit Manuf 10, 3951–3961 (2025). https://doi.org/10.1007/s40964-025-01120-6
Mayerhofer, M., Brenner, S., Putz, S. et al. Advanced RF cavity manufacturing using multi-material laser powder bed fusion. Eur. Phys. J. Spec. Top. (2026). https://doi.org/10.1140/epjs/s11734-026-02294-y
Ansprechpartner:
Institut für Angewandte Physik und Messtechnik
Michael Mayerhofer (michael.mayerhofer@unibw.de)
Institut für Konstruktions- und Produktionstechnik
Stefan Brenner (stefan.brenner@unibw.de)