3D 프린트 냉각 시스템으로 입자 검출 기능을 향상하는 CERN LHCb

스위스 및 프랑스의 100미터 아래에는 지금까지 제작된 전 세계의 입자 가속기 중 가장 독보적인 규모와 성능의 LHC(대형 강입자 충돌기)가 있습니다. 이 거대한 구조물은 유럽 입자 물리 연구소(CERN)에서 4가지 주요 실험에 고에너지 물리학 연구를 진행하는 데 사용됩니다.

원하는 속도까지 입자를 가속할 수 있도록 최대 27km까지 뻗어 있으며, 대형 입자 검출기로 구성된 4곳의 빔 교차점에서 관측 가능한 반응이 일어납니다. LHCb 실험의 검출 볼륨 내에서 길고 극도로 좁은 포톤 검출 스트립은 연구 대상 반응이 보존될 수 있도록 -40˚C로 냉각되어야 합니다. 이 스트립의 길이는 약 140m이며 너비는 2mm 미만으로, 냉각 성능을 100% 발휘하는 3D 프린팅 티타늄 냉각봉에 부착되어 있습니다.

이 냉각봉은 네덜란드 국립 아원자 물리학 연구소(NIKHEF)와 3D Systems의 Application Innovation Group의 협업 하에 3D Systems의 DMP(Direct Metal Printing) 기술을 토대로 제작되었습니다. 3D Systems는 성공적인 실험 환경 개선에 기여한 점을 인정받아 2019년 LHCb Industry Award를 수상하는 영예를 안았습니다.

LHC 내의 입자 충돌은 검출기 내부에서 발생하는데, 이러한 검출기는 매우 정교한 시스템으로서 기본적 입자 속성에 관한 정보 수집을 돕습니다. 최신 검출기에는 여러 층으로 구성된 보조 검출기가 포함되며, 그중에는 입자의 경로를 보여주는 LHCb 섬광 섬유(SciFi) 추적기 같은 추적 장치가 있습니다. 다른 보조 검출기 시스템을 통해 입자의 에너지와 방사선을 측정할 수도 있습니다.

안토니오 펠레그리노 씨는 NIKHEF 소속으로서 대형 강입자 충돌기 뷰티(LHCb) 실험에서 CERN의 SciFi 추적기 프로젝트를 이끌고 있습니다. 펠레그리노 씨는 냉각 시스템이 복잡한 이유가 몇몇 불가피한 요인 때문이라고 설명하는데, 이러한 요인에는 냉각봉을 피팅해야 할 공간이 매우 크게 제한되어 있다는 점, 그처럼 짧은 공간 안에서 방출해야 하는 열, 전체 포톤 검출 스트립의 길이에 걸쳐 요구되는 온도 균일성, 검출기의 효율성과 해상도를 보존하는 데 필요한 냉각봉의 평면도 등이 있습니다. 펠레그리노 씨는 “이 때문에 냉각 시스템 구성 방법이 매우 효율적이어야 합니다.”라고 이야기합니다.

NIKHEF의 프로젝트 엔지니어인 롭 월렛은 성능 요건에 완벽하게 부합하는 부품을 설계해 냉각봉 개발에 착수했습니다. 펠레그리노 씨는 “이 설계는 정말 멋지지만, 평소의 방법대로는 생산할 수가 없었습니다.”라고 말합니다. 기존의 방법을 통해 생산하기가 어려웠던 한 가지 주된 이유는 필수 벽 두께에 있었습니다. 효율성을 극대화하기 위해서는 냉각재와 냉각이 필요한 표면 사이의 소재 최소화가 중요한 사안이었습니다. 부품 길이(263mm)의 경우에는 기계를 이용해 얇게 가공하는 것도 불가능했습니다.

CERN은 초기에 수작업으로 원형을 제작해 본 후, 신속하게 수작업식 생산은 현실적으로 어렵다는 결정을 내렸습니다. 이는 노동 집약적일 뿐만 아니라 재현이 가능한 방식으로 만들기도 쉽지 않았습니다. 당사 팀은 이 점을 염두에 두고 다른 선택지의 연구와 금속 3D 프린팅의 기능 탐구를 시작했습니다.

CERN의 냉각봉 설계는 최종 성능에 맞춰 최적화되긴 했지만 적층 제조(AM)에까지 맞게 최적화되지는 않았습니다. CERN은 이와 같은 단점을 고려하여 제조 파트너를 선정했습니다. 펠레그리노 씨는 “몇몇 후보 기업 중에서 3D Systems를 선택한 이유는 회사의 엔지니어링 팀이 설계를 실제로 생산 가능한 것으로 전환할 수 있을 것으로 보였기 때문”이라고 밝혔습니다.

CERN은 벨기에 뢰번에 위치한 3D Systems 고객 혁신 센터(CIC)의 응용 분야 엔지니어링 전문 지식을 활용해 적층 제조 프로젝트 추진에 속도를 더했습니다. 3D Systems CIC는 하이테크놀로지, 항공우주, 의료, 교통 및 모터 스포츠 시장에서의 적층 제조 응용 분야를 지원하기 위한 경험과 기술로 중무장한 세계적인 시설입니다. 3D Systems CIC는 응용 분야 개발과 프론트엔드 엔지니어링부터 장비 검증, 공정 검증, 부품 인증, 그리고 생산에 이르기까지 어떤 단계에서든 프로젝트에 자문과 지원을 제공합니다.

적층 제조 솔루션의 제조업체이자 사용업체인 3D Systems에서는 응용 분야 엔지니어와 기계 엔지니어링 그룹 간의 특별한 피드백 교환이 활발히 이루어집니다. 이처럼 개방된 커뮤니케이션은 더 나은 장비와 결과를 구현하기 위한 3D Systems의 끊임없는 소프트웨어, 하드웨어, 소재, 프린트 공정 개선을 가속화합니다.

CERN과 3D Systems의 엔지니어링 팀은 반복되는 설계, 프린팅 및 테스트 공정을 통해 냉각봉 설계 수정에 협업했고, 이로써 최종적 기능은 물론 제조에 관한 요건까지 충족할 수 있었습니다.

성능 요건은 다음 사항이 포함되었습니다.

• 벽 두께: 부품의 주요 사양 하나는 0.25mm의 벽 두께였습니다. 티타늄 파우더 용융 풀의 안정성과 너비와 관련해 3D Systems는 DMP 장비의 높은 치수 정확도와 3D Systems의 사내 전문 기술에 힘입은 레이저 파라미터 조정을 통해 이와 같은 벽 두께를 실현할 수 있었습니다. 
• 유출 방지: 유출 방지 요건을 충족하기 위해 고강도 티타늄 합금인 LaserForm^® TiGr23 소재가 선택되었습니다. 3D Systems가 프로젝트를 위해 개발한 맞춤형 파라미터 세트도 이 목표를 달성하는 데 힘을 보탰습니다.
• 평면도: 평면도 보장을 위해 263mm 부품의 전체 길이에 50마이크론의 정밀도가 요구되었습니다. 이는 3D Systems의 응용 분야 엔지니어링 팀이 채택한 적층 제조 전략과 수직 프린팅 방향과 같은 제작 전략 권장 사항을 고려한 다양한 설계를 통해 구현되었습니다.

냉각봉 생산 최적화는 300개가 넘는 정밀 장치의 최종 주문을 효과적으로 달성하는 데 매우 핵심적인 역할을 했습니다. 펠레그리노 씨의 설명에 따르면, 3D 프린팅을 생산에 활용하면서 얻은 주된 가치는 구성품의 극단적인 복잡성에 견주어 봤을 때 공정의 비용 효율성이 상당했다는 점과 최종적 응용 분야에서 성공을 거두는 데 필요한 남다른 공차를 달성할 수 있었다는 점이었습니다. 펠레그리노 씨는 “우리는 그동안 찾던 부품과 성능 모두를 확보하는 데 있어 믿을 만한 방법이 필요했습니다.”라고 전했습니다.

3D Systems는 ISO 9001, ISO 13485 및 AS/EN9100 인증 시설을 갖춘 것은 물론, 품질과 성능이 무엇보다 중요한 여러 업계에서 수백 개에 달하는 핵심 응용 분야의 파트너로 활약하고 있습니다. 원형 제작에서 생산으로의 전환 및 규모 조정에 대한 3D Systems의 체계적인 접근법은 고품질 적층 제조 부품을 향한 여정을 한층 간소화합니다.

제조 지침에는 다음이 포함되었습니다.

• 설계 전략: 최종적으로 생산될 냉각봉은 용접되어 하나의 온전한 부품을 이루는 대칭적 형태의 A 및 B 구성품 세트로 설계되었습니다. 그 덕분에 CERN은 최소한의 어셈블리로 필요한 특성과 크기, 품질을 확보할 수 있었습니다.
• 프린팅 방향: 적층 제조를 활용하면 제작 플랫폼에서의 부품 방향이 서포트 요구 사항에 영향을 미칠 수 있습니다. 3D Systems의 엔지니어링 팀은 CERN의 설계에서 확인된 기하형상에 따라 가급적 부품의 자기 지지가 가능하도록 수직 방향을 제안했습니다.
• 부품 청소: 냉각봉은 제어와 완벽한 파우더 제거가 까다로울 수 있는 병렬 냉각 채널로 설계되었습니다. 3D Systems는 광범위한 후처리 경험을 토대로 부품의 철저한 소재 배출을 보장할 세척 프로토콜을 지정할 수 있었습니다.

냉각봉은 응력 테스트 결과에 따라 10년 이상을 견딜 것으로 예측되었습니다. 펠레그리노 씨는 시간이 지나야만 알 수 있다고 하면서도, 적층 제조 기술에 힘입어 어셈블리가 제한적으로 진행되고 단일한 소재로 최적화된 형태를 제작할 수 있게 됨에 따라 냉각봉의 안정성 증진 효과가 드러날 것임을 확신합니다.

펠레그리노 씨는 문제 해결에 적층 제조를 활용할 수 있게 된 것이 CERN 팀원들에게 상당한 이점으로 다가왔고, 이 프로젝트가 성공을 거둠에 따라 이전에는 적층 제조 기술을 이용하지 않던 동료들도 관심을 갖기 시작했다고 말합니다. “3D 프린팅은 정말 새로운 기회를 불러옵니다. 상당한 진전을 거둘 수 있어요.”

펠레그리노 씨는 3D Systems와 협업했던 경험에 관해 이야기하면서, 새로운 프로젝트에 이미 3D Systems의 응용 분야 전문가들이 참여하고 있다고 말합니다.