CERN: eisen aan materiaalzuiverheid vergt inzicht in totale productieproces

7 maart 2024
Leestijd: 8 minuten

Deel op LinkedIn

CERN: eisen aan materiaalzuiverheid vergt inzicht in totale productieproces

Engineers van CERN stellen hoge eisen aan de materiaalzuiverheid voor de vacuümsystemen in de deeltjesversneller. Dit begint met het metallurgische proces, waarbij extreme reinheid vereist is om lekkages in de uiteindelijke componenten van de vacuüm- of cryogene systemen te voorkomen. "Je moet de hele productieketen begrijpen en controleren," zegt Stefano Sgobba, Hoofd Materialen, Metrologie en NDT bij CERN.

Stefano Sgobba zal een keynote-lezing geven over de uitdagingen waar CERN mee te maken heeft op het gebied van materialen voor vacuüm- en cryogene toepassingen in de deeltjesversneller tijdens het Clean Event van Mikrocentrum (16 april, NH Koningshof). Met concrete voorbeelden laat hij zien hoe belangrijk het is om de hele materiaalproductieketen te beheersen en te begrijpen, van smelten tot eindwarmtebehandelingen, solderen, lassen, enz. In zijn keynote-lezing zal hij ook ingaan op de thermische schilden van het vacuümvat voor het ITER-project, waar CERN nauw mee samenwerkt.

Absolute betrouwbaarheid

De decennia aan ervaring die CERN (European Organization for Particle Physics) heeft met reinheid is gekoppeld aan de kwaliteit van de materialen voor vacuümtoepassingen, legt Stefano Sgobba uit. Als deze materialen niet voldoen aan de strenge eisen, is lekbestendigheid onder ultrahoog vacuüm en/of cryogene omstandigheden niet gegarandeerd. Een van de uitdagingen is het brede temperatuurbereik waarin de eigenschappen van de materialen stabiel moeten blijven: van boven kamertemperatuur tot bijna het absolute nulpunt. "Gewoonlijk hebben onze natuurkundigen hoge eisen aan de ideale materialen die ze willen, en wij vertalen ze naar technische specificaties die misschien extreem uitdagend zijn maar industrieel uitvoerbaar," zegt Stefano Sgobba over de werkwijze bij CERN.

CERN-faciliteiten voor het mechanisch testen van materialen tot cryogene temperatuur (4,2 K), inclusief breukmechanicatests. (Foto: CERN)

Voor de meest veeleisende toepassingen komt het zelden voor dat standaardmaterialen die op voorraad zijn in de handel, gebruikt kunnen worden. Onzuiverheden en niet-metalen insluitsels kunnen een ongewenst effect hebben in de eindtoepassing. CERN wil daarom inzicht hebben in het gehele proces, van metallurgie tot verwerking en mogelijke thermische nabehandeling. Stefano Sgobba: "We kijken meestal naar de hele productiecyclus van materiaal, door de juiste metallurgische processen al op het niveau van het gieten en opnieuw smelten in de specificaties te vermelden. We spreken een zogenaamd fabricage- en inspectieplan af met de producenten; bij de meest kritieke stappen in de productie zijn we zelf bij aanwezig en we doen tussenliggende en ontvangstinspecties om ervoor te zorgen dat de materialen betrouwbaar zijn.

We kijken meestal naar de hele productiecyclus van materiaal, door de juiste metallurgische processen al op het niveau van het gieten en opnieuw smelten in de specificaties te vermelden.” Stefano Sgobba

Een lek in het binnenste deel van een detector of een supergeleidende magneet is absoluut onaanvaardbaar." Volgens hem is deze uitgebreide en consistente aanpak een van de grondslagen van het resultaat dat CERN behaalt. Dat komt niet alleen door niet-destructief onderzoek aan het einde, dat mogelijk niet alle mogelijke schadelijke kenmerken in de onderdelen kan detecteren. "Als iemand een operatie ondergaat en je weet dat je niet twee keer kunt ingrijpen, moet je absolute betrouwbaarheid hebben. Dat is de sleutel tot succes." Een handicap van deze aanpak is dat CERN niet zo'n grote klant is als bijvoorbeeld de auto-industrie. "Desondanks moet het kosteneffectief blijven," merkt Stefano Sgobba op. "En over-specificatie moet worden vermeden."

Maakbaarheid

De zuiverheid van de materialen is van het grootste belang bij CERN. Tegelijkertijd moet men letten op maakbaarheid, bijvoorbeeld hoe het materiaal wordt bewerkt of hoe goed het kan worden gelast. Soms moet er een compromis worden gezocht, omdat de onderdelen maakbaar moeten zijn. Het Hoofd Materialen, Metrologie en NDT van CERN geeft het voorbeeld van het gebruik van hoogzuiver koper in een bepaalde toepassing. Puur en zacht koper is eigenlijk nodig voor de hoogste elektrische en thermische geleidbaarheid onder cryogene omstandigheden. Dus zou je kiezen voor volledig gegloeid koper.

3D lasergebaseerde optische metrologie-inspectie van complexe componenten bij Materials, Metrology and Non-Destructive Testing van CERN. (Foto: CERN)

"Echter, om de bewerkbaarheid te verbeteren, kiezen we voor een harder koperen materiaal." Om austenitisch roestvrij staal makkelijk te kunnen bewerken (de zogenaamde ‘free machining grades’), voegen producenten meestal zwavel toe. Normaal gesproken is dat geen probleem bij standaardkwaliteiten; voor CERN, dat volledig austenitische kwaliteiten gebruikt om de magnetische permeabiliteit in verschillende toepassingen te beperken, verhoogt dit het risico. Daarom beperkt CERN de aanwezigheid van zwavel in het materiaal.

Op industriële schaal is het altijd belangrijk om jezelf af te vragen wat je echt nodig hebt.” Stefano Sgobba

Een ander voorbeeld: de concentratie van kobalt in de samenstelling van roestvrij staal mag niet hoger zijn dan 0,10%. In het verleden was de limiet 0,20%, maar om de activering van componenten in de buurt van de bundel te verminderen, is de limietwaarde nu 0,10%. Deze bovengrens voor kobalt wordt zelden gehaald door standaardproducten, dus het vereist over het algemeen speciale productie. Sporen van deltaferriet zijn vaak toegestaan of zelfs gewenst in algemene industriële toepassingen, maar zijn ongewenst voor specifieke toepassingen bij CERN omdat ze de magnetische permeabiliteit boven de maximaal toegestane grenzen verhogen en de taaiheid bij cryogene temperaturen verminderen. Daarom probeert CERN ze te beperken. Maakbaarheid speelt zeker een rol bij de selectie van materialen, vat Stefano Sgobba samen. "Op industriële schaal is het altijd belangrijk om jezelf af te vragen wat je echt nodig hebt."

Cleanliness

CERN is recordhouder voor vacuümtoepassingen, zowel qua bereikte vacuümniveaus als qua zeer grote vacuümsystemen. Oppervlaktereinheid speelt hierin ook een rol. Bovendien vereist de voorbereiding van onderdelen voor hoog vacuümbrazing, eveneens een technologie waarin CERN een referentie is, een zeer gecontroleerde reinheid van de te monteren onderdelen. Kwaliteitseisen van onderdelen die aan hoog vacuümbrazing worden onderworpen, zijn zeer vergelijkbaar met die welke van toepassing zijn op de halfgeleiderindustrie. Bij CERN speelt het visuele aspect en visuele inspectie van het oppervlak ook een rol.

Oppervlakteonvolkomenheden, zoals open porositeit of vouwen, kunnen een negatief effect hebben op de reinigbaarheid van de onderdelen, kunnen chemicaliën vasthouden en de oorzaak zijn van virtuele lekken.” Know how

Producten en lassen moeten bijvoorbeeld absoluut schoon zijn wat betreft de afwezigheid van resten van schaal, tinoxiden, enzovoort. Elke vorm van porositeit in lassen is uit den boze. Het gebruik van bepaalde vloeistoffen is ook verboden omdat ze chemische componenten bevatten die later problemen kunnen veroorzaken om aan de uiteindelijke vacuümeisen te voldoen. Oppervlakteonvolkomenheden, zoals open porositeit of vouwen, kunnen een negatief effect hebben op de reinigbaarheid van de onderdelen, kunnen chemicaliën vasthouden en de oorzaak zijn van virtuele lekken. Wat betreft reiniging is het voldoende om sommige onderdelen chemisch te reinigen; voor andere onderdelen ondergaan ze een vacuümbehandeling bij temperaturen tot 900 graden om het materiaal te ontgassen. "In dat geval is de laatste stap niet de chemische reiniging, maar wordt dit gevolgd door de behandeling onder vacuüm, wat een zuiverend effect heeft."

Additieve productie

De geopende Compact Muon Solenoid (CMS) detector. CMS is een van de twee grote deeltjesdetectoren bij de LHC die samen met ATLAS het verval van het higgsboson heeft waargenomen. (Foto: CERN)

Stefano Sgobba verwacht dat de eisen voor structurele componenten, zoals bijvoorbeeld toegepast in compacte fusie-energieapparaten of nieuwe versnellers bij CERN, in de toekomst strenger zullen worden. Dit betekent niet noodzakelijkerwijs dat er nieuwe kwaliteiten moeten worden ontwikkeld, zoals het geval is geweest voor het bundelscherm van de LHC. Het zal eerder gericht zijn op optimalisatie van combinaties van eigenschappen en hun homogeniteit over de onderdelen, voor specifieke toepassingen of technieken.

Onze uitdaging is om vergelijkbare fysische eigenschappen te bereiken als bij bulkmaterialen, niet noodzakelijkerwijs een nieuw materiaal, maar een verbeterd proces voor het uiteeindelijke doel” Stefano Sgobba

Hij wijst bijvoorbeeld op zeer grote smeedstukken waarvan de breuktaaiheid en sterkte bij cryogene temperaturen gegarandeerd moeten zijn. Het kan worden bereikt voor standaardvormen van producten, maar niet voor onderdelen van zeer grote omvang of complexe vorm. Een tweede voorbeeld is additieve productie bij CERN, met name laserpoederbedmetaalprinten. "Onze uitdaging is om vergelijkbare fysische eigenschappen te bereiken als bij bulkmaterialen, niet noodzakelijkerwijs een nieuw materiaal, maar een verbeterd proces voor het uiteindelijke doel."

Keynote lezing tijdens de lustrumeditie van het Clean Event

De keynote-lezing van Stefano Sgobba over de metallurgische aspecten die belangrijk zijn om een materiaal geschikt te maken voor vacuüm- en cryogene toepassingen, zal plaatsvinden op 16 april tijdens het Clean Event. Mikrocentrum organiseert dit gelijktijdig met de Manufacturing Technology Conference in het NH Koningshof conferentiecentrum in Veldhoven. Je bezoek is gratis, jezelf aanmelden kan direct via deze website.

Meld je gratis aan voor het Clean Event

Hoe krijg je als keten gezamenlijk grip op reinheid en contamination control in het gehele maakproces? Hoe zorg je voor een slim design zodat het product schoon gemaakt wordt én schoon blijft in de vervolgstappen? En hoe verlaag je de grote risico’s in het assemblage- en verpakkingsproces? Deze uitdagingen staan centraal tijdens het Clean Event op 16 april 2024.

Meer informatie en aanmelden

Over de schrijver

Franc Coenen

Journalist | Solutions Magazine by Made-in-Europe

Nieuws

Nieuws 190

CERN: eisen aan materiaalzuiverheid vergt inzicht in totale productieproces