Comment le CERN utilise l'impression 3D pour construire des détecteurs de particules
L'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, également connue sous le nom de CERN, est un centre de recherche en physique des hautes énergies qui utilise le plus grand laboratoire de physique des particules au monde. Le CERN abrite le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules du monde, le Grand collisionneur de hadrons (LHC).
Le LHC est l'un des instruments scientifiques les plus grandioses et les plus coûteux jamais construits. Il aidera l'humanité à répondre à certaines questions de physique touchant notamment aux lois fondamentales régissant les interactions et les forces entre les objets élémentaires, à la structure profonde de l'espace et du temps, et à l'interrelation entre la mécanique quantique et la relativité générale.
Massimo Angeletti, ingénieur mécanicien, est membre du département Physique expérimentale - Technologie des détecteurs (EP-DT) qui s'occupe de la construction, de l'assemblage et de l'installation des détecteurs de particules. Découvrez comment ce département du CERN utilise l'impression 3D pour le prototypage rapide, la recherche et le développement.
Un exemple de structures de support imprimées en 3D avec Black Resin. Leur rôle est de maintenir en position trois capteurs à puce mince (capteurs ALPIDE MAPS, 40 µm d'épaisseur) pendant un test avec des faisceaux de particules.
Prototypage rapide de détecteurs de particules
Le département dans lequel travaille Massimo a recours à l'impression 3D depuis plus de six ans pour différentes applications : on y utilise deux imprimantes 3D stéréolithographiques (SLA) Form 2 et une Form 3L, qui sont maintenant devenues des outils clés pour la recherche et le développement des nouveaux détecteurs de particules.
En réalisant des prototypes rapides à l'aide d'imprimantes 3D en interne, l'équipe a pu raccourcir les délais de développement, réduire les coûts et trouver de nouvelles solutions d'aménagement qui auraient été impossibles avec l'usinage traditionnel. Avant de les produire en interne, ils devaient compter sur les fournisseurs et attendre des semaines pour que les pièces imprimées en 3D, même assez simples, parviennent au CERN. Les imprimantes et les matériaux Formlabs sont principalement utilisés pour les prototypes, mais aussi pour les moules et les outils utilisés lors de l'assemblage et de l'essai des détecteurs.
Guide de prototypage rapide pour le développement de produits
Dans ce guide, vous découvrirez comment le prototypage rapide s'intègre au processus de développement de produits, ses applications, et les outils de prototypage rapide dont les équipes de développement de produits disposent aujourd'hui.
L'équipe de Massimo a également testé des imprimantes FDM, mais s'est vite rendu compte que la qualité de surface, la résistance à la saleté et la durabilité des pièces étaient nettement inférieures à celles des pièces imprimées avec la technologie SLA. En raison de la haute précision requise pour les pièces, ces propriétés étaient de la plus haute importance pour l'équipe du CERN, qui a donc décidé d'utiliser la technologie SLA pour ses prototypes.
Grâce à la formation proposée par Formlabs, les chercheurs sont en mesure d'utiliser les imprimantes en toute sécurité et de manière autonome. Dans la plupart des cas, ce sont eux qui créent les conceptions à l'aide de logiciels CAO et qui les envoient à l'imprimante, ce qui permet d'accélérer le flux de travail.
Plusieurs pièces imprimées en 3D avec Black Resin utilisées pour l'assemblage d'un prototype de détecteur à échelle réelle (60 x 60 x 300 mm3). Le prototype du haut est un modèle d'une nouvelle catégorie de détecteur de particules basé sur de grands capteurs MAPS minces (90 x 280 mm2, 30-40 µm d'épaisseur). Il est en cours de développement pour ALICE, l'une des grandes expériences du LHC.
La liberté de conception unique offerte par la fabrication additive permet de produire des formes tridimensionnelles complexes. Cela s'inscrit dans la nouvelle tendance qui consiste à développer des structures de détecteurs de particules personnalisées, polyvalentes et complexes.
Aujourd'hui, les matériaux polymères d'impression 3D sont de plus en plus utilisés dans les expériences du LHC. Cependant, les doses élevées de radiation dans la zone expérimentale nécessitent des matériaux présentant des propriétés mécaniques spécifiques.
« Nous aimerions faire plus d'essais avec les matériaux Formlabs dans des environnements à haut niveau de rayonnement, afin d'également pouvoir les utiliser pour les parties fonctionnelles des détecteurs exposées aux radioations », nous dit M. Angeletti.
Les résines les plus couramment utilisées lors du processus de prototypage des détecteurs de particules sont actuellement Black Resin et Clear Resin, mais l'équipe du CERN teste également Rigid 4000 Resin et Rigid 10K Resin pour éventuellement fabriquer des pièces d'utilisation finale à l'avenir.
« Les imprimantes 3D accélèrent et simplifient tout le processus. Nous maîtrisons toutes les étapes du début à la fin. Nous créons les fichiers nous-même et les envoyons à l'imprimante, ce qui est très pratique. L'impression 3D permet aussi de faire beaucoup d'itérations. Après quelques jours à peine, vous pouvez utiliser votre pièce finale que des sous-traitants auraient mis des semaines à produire. C'est incroyable. »
Massimo Angeletti, ingénieur en mécanique, CERN
L'avenir de l'impression 3D dans la recherche
« Ce serait vraiment bien d'utiliser plus de pièces imprimées en 3D et de moins utiliser les techniques de fabrication standard », explique M. Angeletti. À l'avenir, le projet serait d'obtenir un détecteur presque entièrement imprimé en 3D, à l'exception des éléments électroniques tels que les capteurs et leurs composants. Une fois qu'ils auront été testés pour des expériences à haut rayonnement, M. Angeletti espère également utiliser de nouveaux photopolymères pour les rayonnements dans d'éventuelles expériences futures.
Qu'il s'agisse de dispositifs millifluidiques, de séparateurs de faisceaux galvanisés, d'antennes haute performance, d'unités d'étalonnage ou de l'étude des coraux, les scientifiques du monde entier utilisent l'impression 3D pour accélérer la recherche, réduire les coûts, accélérer le développement de montages expérimentaux et fabriquer des dispositifs scientifiques personnalisés.
Explorez les différentes imprimantes 3D, les matériaux et les applications pour apprendre à faire de l'impression 3D votre outil ultime pour la recherche et l'éducation.
