Study of using 3D printed components in cryogenic applications

Abstract

Additive manufacturing (AM) particularly metal 3D printing via powder bed fusion (PBF), enables the production of complex components with geometries and functionalities unattainable by conventional manufacturing methods. Despite its growing use, research on the performance of PBF fabricated metals under cryogenic conditions remains limited. This study investigates oxygen-free copper components produced by PBF printing, focusing on thermal conductivity, vacuum helium leak tightness and the effects of post-processing treatments, particularly hot isostatic pressing (HIP).

Commissioned by Bluefors Oy the research combines literature review, analytical assessment and experimental testing to evaluate material behaviour in ultra-low temperature environments. Experimental results demonstrate that HIP post-processing significantly enhances thermal conductivity, since the residual resistivity ratio (RRR) increased from 57 in as-printed sample to 186 in HIP treated sample, indicating increased electron transport at cryogenic temperatures. Vacuum helium leak tests further suggest that the as-printed PBF components are sufficiently dense, with no significant leakage detected in the tested samples. These findings highlight the importance of post-processing for optimising PBF copper performance and provide practical guidance for engineers designing high-performance components for cryogenic applications. Which supports broader adaptation of additively manufactured components in the industry.

Metallien 3D-tulostus, erityisesti jauhepetitekniikalla (PBF), mahdollistaa monimutkaisten komponenttien valmistuksen geometrioilla ja toiminnoilla, joita perinteiset valmistusmenetelmät eivät pysty saavuttamaan. Kyseisen valmistusmenetelmän yleistyminen ei ole kuitenkaan vielä heijastunut tutkimuksien yleistymiseen, joissa kohteena olisi tulostettujen metallien suorituskyky kryogeenisissä olosuhteissa. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan hapetonta kuparia, joka on valmistettu PBF tekniikkaa hyödyntäen. Tutkimuksessa keskitytään tulosteiden lämmönjohtavuuteen ja heliumtiiveyteen, sekä jälkikäsittelyn vaikutuksiin. Jälkikäsittelyssä painopiste on kuumaisostaattipuristuksessa (HIP).

Bluefors Oy:n toimeksiannosta toteutettu tutkimus yhdistää kirjallisuuskatsauksen, analyyttisen arvioinnin ja kokeelliset testit materiaalin käyttäytymisen arvioimiseksi erittäin matalissa lämpötiloissa. Kokeelliset tulokset osoittavat, että HIP-jälkikäsittely parantaa merkittävästi kuparin lämmönjohtavuutta. Jäännösvastussuhde (RRR) nousi 57:stä tulostetussa näytteessä, 186:een HIP-käsittelyssä näytteessä, mikä viittaa parempaan elektronien kulkuun kryogeenisissä olosuhteissa. Tyhjiövuototestit viittaavat lisäksi siihen, että tulostetut PBF-näytteet ovat riittävän tiheitä, eikä testatuissa näytteissä havaittu merkittäviä vuotoja. Tulokset korostavat jälkikäsittelyn merkitystä PBF valmistetun kuparin suorituskyvyn optimoinnissa ja tarjoavat käytännön ohjeita mekaniikkasuunnittelijoille, jotka suunnittelevat korkean suorituskyvyn komponentteja kryogeenisiin sovelluksiin, tukien samalla 3D tulostettujen komponenttien laajempaa käyttöä teollisuudessa.