3D-Druck beeinflusst die Anwendung der Quantentechnologie

Die Strukturintegration kann durch 3D-Druck erreicht werden, wodurch das ursprüngliche Vakuumverbindungsdesign überflüssig wird, Funktionen integriert und die Größe der Vakuumkomponenten reduziert, das Gewicht reduziert und die Leistung erhöht wird. Dies ist der Vorteil von 3D-gedruckten Vakuumkomponenten für Quantentechnologieanwendungen

.Zuvor war die Idee, Vakuumkomponenten durch 3D-Druck herzustellen, aufgrund von Problemen mit der Porosität und mechanischen Festigkeit von Teilen, die durch die 3D-Drucktechnologie des Pulverbettschmelzens hergestellt wurden, schwierig zu verwirklichen. Die neuesten Entwicklungen in der 3D-Drucktechnologie des Pulverbettschmelzens haben jedoch die Prozessfähigkeit verbessert, um die Anforderungen an Dichte und mechanische Eigenschaften zu erfüllen. Dank dieser Fortschritte hat die 3D-Drucktechnologie durch das Schmelzen von Metall im Pulverbett begonnen, Schlüsselkomponenten in vielen Bereichen zu adressieren. Design und Herstellung haben einen tiefgreifenden Einfluss.

Nach der Herstellung dieses integrierten Vakuummoduls wendeten die Wissenschaftler es in einer Ultrahochdruckumgebung an, um eine Vakuumkammer zu schaffen, die besonders hohe Drücke aufnehmen kann und die erforderliche Leistung zum Einfangen kalter Atomwolken bietet. Die Atome werden gekühlt und durch eine Kombination aus Laserstrahl und Magnetfeld an Ort und Stelle gehalten.

Um die Vakuumkomponenten so leicht wie möglich zu machen, haben die Wissenschaftler die Geometrie ihrer Anschlüsse verbessert, den Raum zwischen ihnen minimiert und eine dünne Innenhaut hinzugefügt, um das UHV aufzunehmen. Darüber hinaus bleibt die Symmetrie des Kammerdesigns erhalten, wodurch sichergestellt wird, dass der Port senkrecht zum Strahlengang des Laserstrahls bleibt, was dazu beiträgt, optische Übertragungsverluste zu minimieren.

Der gesamte Prozess ist eine der faszinierendsten, originellsten und besten Anwendungen der additiven Fertigung bis heute. Wie bei allen durch 3D-Druck hergestellten Wärmeaustauschsystemen enthält das Design der Vakuumbaugruppe eine Gitterstruktur, die das Verhältnis von äußerer Oberfläche zu Volumen der Kammer erhöht und zur Wärmeableitung beiträgt. Das endgültige Kammerdesign ist mit Standard-UHV-Ultrahochvakuumgeräten kompatibel. 

Zusätzlich zur Kammer hat Added Scientific einen Magnetspulen-Formeinsatz mit einem eingebauten wassergekühlten Kanal entwickelt, um die Vorteile der additiven Fertigung zu erkunden.

Die Vakuumbaugruppe wird aufgrund der hohen spezifischen Festigkeit 10 ​​und der geringen Dichte aus der Aluminiumlegierung AlSi3Mg (der am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierung in der additiven Fertigung) hergestellt. Zusätzlich zu der typischen Wärmebehandlung verwendet Added Scientific auch eine separate "Alterungs"-Wärmebehandlung, um die Festigkeit des Materials zu erhöhen.

Ein weiterer Aspekt ist die raue Oberfläche der Teile, die durch die PBF-Pulverbett-Metallschmelz-3D-Drucktechnologie hergestellt werden. Für UHV-Anwendungen wird angenommen, dass die vergrößerte Oberfläche die Wahrscheinlichkeit einer Ausgasung erhöht. Nach umfangreichen Tests stellte das Team jedoch fest, dass der akzeptable Betriebstemperaturbereich auch ohne weitere Optimierung von Material und Schutzschicht 400 °C erreicht.

Für Anwendungen der Quantentechnologie liegen die Vorteile von 3D-gedruckten Vakuumbauteilen auf der Hand. Die Qualität des MOT-Prototyps von Added Scientific ist 245 Gramm - 70 % leichter als das im Handel erhältliche Äquivalent aus Edelstahl.

Das spart dem Forschungsteam viel wertvollen Laborplatz und ist ein wichtiger Schritt in Richtung Portabilität zukünftiger Geräte. Grundsätzlich kann die Kammer verkleinert werden, wenn die Kammer in ein speziell konstruiertes und weiter optimiertes System integriert wird.

Angesichts des Wunsches nach Quantentechnologie und der raschen Reife verwandter Märkte wird die Entwicklung der Kapazität von Vakuumkammerkomponenten, die in 3D-Druckstrukturen integriert sind, das britische National Quantum Technology Program und das Engagement der Regierung zur Entwicklung der Quantentechnologieindustrie im Vereinigten Königreich stark unterstützen .

Langfristig wird die 3D-Drucktechnologie wahrscheinlich die Revolution im Vakuumsystemdesign vorantreiben. Die Einführung der additiven Fertigungstechnologie in das Vakuumsystem wird sich offensichtlich auf die Anwendung der tragbaren Quantentechnologie auswirken und kann sich auch auf die weitere wissenschaftliche und industrielle Welt auswirken. Gleichzeitig demonstriert dieses hochkomplexe Vakuumsystem anschaulich die Vorteile der 3D-Drucktechnologie bei der Herstellung komplexer Systeme.

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