Использование 3D-печати для подготовки к сборке экспериментального оборудования
В Принстонской плазменной физике (PPPL) при Национальном сферическом тороидальном эксперименте-апгрейде (NSTX-U) Министерства энергетики США используется комплект магнитов, который является ключевым элементом системы. Эти магниты создадут самое высокое магнитное поле среди больших сферических торов, что позволит поддерживать почти стабильные условия. Они критически важны для конструкции NSTX-U.
19-футовый магнит тороидального поля (TF)
19-футовый магнит тороидального поля (TF) пропускает до 4 миллионов ампер электрического тока для стабилизации и удержания сверхгорячей плазмы в экспериментах по термоядерному синтезу. В конечном итоге он будет соединён с 12 катушками TF снаружи вакуумного сосуда. Вокруг него, как пружина, намотана катушка омического нагрева (OH) — магнит на 4 киловольта, который индуцирует электрическое поле, пропускающее электрический ток в сосуд и помогающее нагревать плазму.
3D-модель для подготовки к сборке
Пока магнит TF-OH собирают в испанской компании Elytt Energy, команда проекта NSTX-U нашла умный и экономически эффективный способ подготовиться к его прибытию. Для этого используется модель-дублёр, изготовленная из красного пластика. Она является точной копией верхней части комплекта TF-OH, высотой 40 дюймов и шириной 2 фута.
«Если бы это была голливудская съёмочная площадка, и вы покрасили 3D-печать TF-OH в другой цвет, она выглядела бы точно так же, как машина», — сказал Том Джерниган, старший менеджер проекта в NSTX-U. «Это были лучшие деньги, которые мы когда-либо тратили».
Стратегия предварительной сборки
Модель TF-OH является частью более широкой стратегии по предварительной подгонке всех компонентов эксперимента до начала работы в 2026 году, сказал Дэйв Микелетти, директор проекта NSTX-U и заместитель директора лаборатории по инженерным вопросам.
«Использование 3D-печатных прототипов сыграло важную роль в снижении рисков и ускорении графика, — сказал Микелетти. — Это позволяет нам подтвердить, что компоненты будут собираться вместе, и исключает риск переделок после начала окончательной сборки. Это экономит время и деньги».
Предварительная сборка компонентов
Модель TF-OH позволит команде проекта NSTX-U убедиться, что у них будет идеальная подгонка для 36 линий охлаждающей воды, которые выходят из верхней части комплекта, как фонтан. Эти линии будут охлаждать магниты, когда плазма нагревается до температур, превышающих солнечные, во время экспериментов по термоядерному синтезу. Команда напечатает ещё одну большую часть катушки TF-OH, чтобы выполнить аналогичную подгонку в нижней части катушки.
После установки кожуха центральной стойки в вакуумный сосуд команда изготовила более 50 компонентов с помощью 3D-печати. Среди них — 3D-печатные копии медных электрических шин, которые подают питание на 12 катушек полоидального поля, а также другие кронштейны и опоры. Установив эти компоненты заранее, команда может внести любые необходимые изменения до изготовления реальных деталей.
Процесс предварительной сборки даст проектной команде детальный план, когда начнётся окончательная сборка. «Всё собрано, и всё подходит», — сказал Джерниган.
Команда проекта также установила 2000 плиток, обращённых к плазме, которые защищают машину от экстремального нагрева во время плазменных экспериментов в верхней части вакуумного сосуда. Они скоро выполнят аналогичную задачу в нижней половине.
«Я думаю, что команда проделала фантастическую работу, — сказал Микелетти. — Объём этой работы включает в себя установку тысяч плиток и их позиционирование в пределах допусков в несколько тысячных долей дюйма. После огромных усилий команды всё складывается очень хорошо».
Прототипы в Elytt Energy
Прототипы также широко использовались в Elytt Energy, где техники тестировали каждый шаг процесса, используемого для создания магнита TF в центре комплекта TF-OH, прежде чем изготовить реальный магнит. Elytt Energy построила четыре квадранта и соберёт их, как четыре части пирога.
Четыре квадранта будут сжаты в устройстве с металлическими ремнями, обёрнутыми вокруг него, как ленты. Затем четыре квадранта будут обёрнуты стекловолокном, помещены в вакуумную камеру и заполнены горячей смолой через процесс, называемый вакуумной пропиткой под давлением (VPI), чтобы сформировать один цельный магнит.
«Одной из самых больших проблем при создании комплекта TF является тщательное выравнивание и сжатие всех четырёх квадрантов при одновременном поддержании равномерного давления на слои изоляции интерфейса», — сказал Дэнни Цай, старший инженер в PPPL. «Мы рады, что нам удалось добиться прочного сжатия, преодолев это серьёзное препятствие».
Когда Elytt Energy завершит сборку магнита TF, он обмотаетеight медных проводников магнита OH, как нитку вокруг шпульки швейной машины. Затем катушку OH обмотают стекловолокном и подвергнутатому же процессу VPI, чтобы сформировать один цельный магнит.
Когда комплект TF-OH будет готов осенью 2025 года, его отправят обратно в PPPL, где его аккуратно поместят в кожух центральной стойки и поднимут обратно в центр вакуумного сосуда NSTX-U. Когда это произойдёт, все планы и приготовления будут реализованы, и начнётся сборка в реальном времени.
electric field, which drives an electric current into the vessel and helps to heat the plasma.”,”While the TF-OH magnet bundle is being assembled at Elytt Energy in Spain, the NSTX-U project team has found a clever, cost-effective way to prepare for its arrival by using an understudy for the star. It is made of red plastic and stands just 40 inches tall and 2 feet wide, but it is an exact replica of the top of the bundle.”,”\”If it were a Hollywood set and you painted the TF-OH 3D print a different color, it would look just like the machine,\” said Tom Jernigan, a senior project manager on the NSTX-U project. \”It’s the best money we ever spent.\””,”The 3D model is part of a larger strategy to pre-fit all the components of the experiment in advance before beginning operations in 2026, said Dave Micheletti, the NSTX-U project director and deputy associate laboratory director for engineering.”,”\”The use of 3D-printed prototypes has been instrumental toward reducing risk and accelerating the schedule,\” Micheletti said. \”It allows us to positively confirm that components will fit together and eliminates the risk of rework once final assembly starts. It’s saving both time and money.\””,”The TF-OH model will allow the NSTX-U project team to ensure they have the perfect fit for 36 cooling water lines that extend out of the top of the bundle like a fountain. The water lines will keep the magnets cool when plasma heats to temperatures hotter than the sun during fusion experiments. The team will print another large piece of the TF-OH coil to perform similar fittings at the bottom of the coil.”,”The 3D TF-OH bundle surrogate is the largest 3D-printed component but far from the only one. After installing the center stack casing into the vacuum vessel, the team produced more than 50 3D-printed components. These included the 3D prints of the copper electrical bus bars, which supply power to the 12 poloidal field coils, as well as other brackets and supports. By installing these components early, the team can make any necessary modifications before producing the real thing. Technicians at PPPL have already begun the initial fabrication of the copper bus bars utilizing an OMAX water jet machine in PPPL’s shop.”,”The preassembly process will give the project team a detailed plan when final assembly begins. \”Everything has been put together, and it fits,\” Jernigan said.”,”The project team also fitted the 2,000 plasma-facing component tiles that protect the machine from the extreme heat of plasma experiments on the upper part of the vacuum vessel. They’ll soon perform a similar feat on the lower half.”,”\”I think the team has done a fantastic job,\” Micheletti said. \”The scope of this work includes installing thousands of tiles and positioning them within tolerances that are a few thousandths of an inch. After a huge effort by the team, everything is coming together very well.\””,”Prototypes have also been used extensively at Elytt Energy, where technicians tested each step of the process used to create the TF magnet at the center of the TF-OH bundle before building the actual magnet. Elytt Energy has now built four quadrants and will assemble them like four pieces of a pie.”,”The four quadrants are being compacted in a device with metal straps wrapped around it like bands. Next, the four quadrants will be wrapped in fiberglass, placed in a vacuum chamber and injected with hot resin through a process called vacuum pressure impregnation (VPI) to form one solid magnet.”,”\”One of the biggest challenges in building the TF bundle is carefully aligning and compacting all four quadrants while keeping the interface insulation layers under even pressure,\” said Danny Cai, a senior engineer at PPPL. \”We are happy that we have successfully achieved solid compaction, clearing this major hurdle.\””,”When Elytt Energy finishes assembling the TF magnet, it will wrap the eight copper conductors of the OH magnet around it like thread around a sewing machine bobbin. The OH coil will then be wrapped in fiberglass and undergo the same VPI process to form one solid magnet.”,”When the TF-OH bundle is complete in the fall of 2025, it will be shipped back to PPPL, where it will be carefully placed into the center stack casing and hoisted back into the center of the NSTX-U vacuum vessel. When that happens, all the planning and preparations will come to fruition, and the real-time assembly can begin.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tPrinceton University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник