CERN: eisen aan materiaalzuiverheid vergt inzicht in totale productieproces

Voor de vacuümsystemen bij CERN gelden zeer hoge cleanliness eisen. Onzuiverheden en niet-metalen insluitsels kunnen een ongewenst effect hebben in de eindtoepassing. Daarom begint voor CERN alles bij het metallurgisch proces. Het wil het hele productieproces begrijpen en controleren.

Stefano Sgobba, Hoofd Materialen, Metrologie en NDT bij CERN, verzorgt tijdens het Clean Event in april 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. Materiaalzuiverheid begint voor CERN met het metallurgische proces, waarbij extreme reinheid vereist is om lekkages in de uiteindelijke componenten van de vacuüm- of cryogene systemen te voorkomen. Maar materialen moeten wel nog bewerkt kunnen worden. En over-specificatie moet vermeden worden omdat anders de kosten te zeer oplopen.

Keynote-lezing op Clean Event door Hoofd Materialen, Metrologie en NDT van CERN

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.

Zelden standaard materialen

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. Een lek in het binnenste deel van een detector of een supergeleidende magneet is absoluut onaanvaardbaar.”

Sleutel tot succes
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. “Echter, om de bewerkbaarheid te verbeteren, kiezen we voor een harder koperen materiaal.”

De concentratie van kobalt in de samenstelling van roestvrij staal mag niet hoger zijn dan 0,10%.

RVS makkelijker bewerken, maar….

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. 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 bij record vacuümtoepassingen

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. 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.

Reinigingstechnieken

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.”

Kwaliteitseisen van onderdelen die aan hoog vacuümbrazing worden onderworpen, zijn zeer vergelijkbaar met die welke van toepassing zijn op de halfgeleiderindustrie

Additieve manufacturing stekt nieuwe uitdagingen

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. 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.”

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. Hij vertelt dan ook over de thermische hitteschilden in het ITER-project waarmee wordt samengewerkt.

Mikrocentrum organiseert het Clean Event 2024 gelijktijdig met de Manufacturing Technology Conference in het NH Koningshof conferentiecentrum in Veldhoven.


Foto: 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)