SPLASHH: Kompaktbeschleuniger mittels 3D-Druck weiterentwickelt

Unter dem Titel „SPLASHH – Shaping Plasma Accelerators in the Hanseatic City of Hamburg“ haben DESY, die Fraunhofer Einrichtung für additive Produktionstechnologien IAPT und die Technische Universität Hamburg (TUHH) sich im Juni 2022 zusammengeschlossen, um die Entwicklung kompakter Laser-Plasmabeschleuniger mittels 3D-Druck voranzutreiben. Der 3D-Druck als serienreife additive Produktionstechnologie bietet das Potenzial, komplexe Form- und Bauteile unter geringem Materialeinsatz zu produzieren. Das von der Behörde für Wissenschaft, Forschung, Gleichstellung und Bezirke (BWFGB) geförderte Vorhaben hat nun einen erfolgreichen Abschluss gefunden.

Im Rahmen des Projekts wurden innovative Designmöglichkeiten für Plasmazellen entwickelt, um sie in kompakten Beschleunigern einzusetzen. Die Demonstration umfasste entscheidende Elemente der Plasmaquelle, darunter ein mittels selektiver Laserätzung hergestellter Glas-Chip, in der die Plasmabeschleunigung abläuft, sowie ein 3D-gedruckter Chip-Halter aus Kupfer.

Das Fraunhofer IAPT konnte den Kupferhalter erfolgreich produzieren und die Prozessparameter optimieren, um eine anforderungsgerechte Herstellung zu gewährleisten. Dies beinhaltete die erfolgreiche Verarbeitung von hochreinem Kupfer mittels pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (LPBF), selbst bei sehr komplexen Anforderungen. Kupfer wurde aufgrund seiner exzellenten Wärmeleitfähigkeit als Material ausgewählt.

Die Methode des selektiv laserinduzierten Ätzens (SLE) an der TUHH ermöglichte es, feinste 3D-Strukturen in einen Quarzglas-Chip zu ätzen. So entstanden komplexe Kanalstrukturen mit besonders hoher Präzision und Skalierbarkeit, deren Realisierung zuvor nicht möglich war. Für den Beschleunigungsprozess werden die Kanalstrukturen mit einem Wasserstoff-Stickstoff Gemisch befüllt, welches durch die Interaktion mit dem intensiven Treiber-Laserpuls zu einem Plasma ionisiert wird. Fortschritte wurden auch bei der Bearbeitung von Saphirglas erzielt, einem Material, das aufgrund seiner Eigenschaften normalerweise schwer zu ätzen ist.

Die Bauteile wurden bei DESY erfolgreich im Laser-Plasma Beschleuniger LUX verbaut und getestet. Zur Qualitätssicherung wurden zudem an der Beamline P21.2 Tomographiemethoden in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IAPT etabliert und weiterentwickelt. Die hochauflösende Synchrotron-Analytik erlaubte es, den 3D-Druckprozess und die 3D-Bauteile präzise zu verstehen und zu qualifizieren.

Das Projekt legt den Grundstein für die verstärkte Vernetzung wissenschaftlicher Einrichtungen und der Industrie in der Metropolregion Hamburg, mit dem Ziel, die Industrialisierung der 3D-Drucktechnologie voranzutreiben. Angesichts der anspruchsvollen Anforderungen, die die nächste Generation von Hightech-Maschinen an Bauteile und Komponenten stellt, gewinnt die Entwicklung neuer Prozesstechnologien zunehmend an Bedeutung.