L'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, anche nota come CERN, è un centro di ricerca in cui ha sede il più grande laboratorio al mondo dedicato alla fisica delle particelle ad alta energia. Il CERN ospita inoltre il più grande e potente acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider (LHC).
L'LHC è lo strumento scientifico più grande e costoso mai costruito e aiuterà l'umanità a rispondere ad alcune delle domande fondamentali del mondo della fisica, come le leggi che governano le interazioni e le forze tra gli oggetti elementari, la struttura profonda dello spazio e del tempo e soprattutto la correlazione tra meccanica quantistica e relatività generale.
L'ingegnere meccanico Massimo Angeletti è un membro del dipartimento Experimental Physics Detector Technology (EP-DT), che si occupa di costruzione, assemblaggio e installazione di rivelatori di particelle. Scopri come questo dipartimento del CERN usa la stampa 3D in ambito di prototipazione rapida e di ricerca e sviluppo.
Un esempio di strutture di supporto stampate in 3D in Black Resin. Il loro scopo è mantenere in posizione tre sensori a chip sottile piegati (sensori ALPIDE MAPS spessi 40 µm) durante i test con fasci di particelle.
Prototipazione rapida di rivelatori di particelle
Il dipartimento in cui lavora Angeletti utilizza la stampa 3D da più di sei anni per diverse applicazioni. In particolare, si affidano a due stampanti 3D stereolitografiche (SLA), la Form 2 e la Form 3L, che si sono rivelate strumenti fondamentali in ambito di ricerca e sviluppo per la generazione di nuovi rivelatori di particelle da installare nell'LHC.
Eseguendo la prototipazione rapida in-house su stampanti 3D, il team è riuscito ad accorciare i tempi di sviluppo, ridurre i costi e scoprire nuove soluzioni di layout impossibili da ottenere tramite lavorazione meccanica tradizionale. Prima di passare alla produzione in-house, il dipartimento era dipendente da fornitori esterni e doveva attendere settimane prima di ricevere le parti stampate in 3D, anche quelle più semplici. Le stampanti e i materiali Formlabs vengono utilizzati principalmente per i prototipi, ma anche per stampi e strumenti che servono per l'assemblaggio e il test dei rivelatori.
Guida alla prototipazione rapida per lo sviluppo di nuovi prodotti
In questa guida scoprirai come la prototipazione rapida si inserisce all'interno del processo di sviluppo dei prodotti, quali sono le sue applicazioni e quali strumenti per la prototipazione rapida hanno a disposizione oggigiorno i team di sviluppo.
Il team di Angeletti ha testato anche alcune stampanti con tecnologia a modellazione a deposizione fusa, rendendosi conto che robustezza, finitura superficiale e resistenza alla sporcizia delle parti erano significativamente minori rispetto a quelle delle parti stampate in stereolitografia. Per questo motivo, visto l'alto grado di precisione richiesto per le parti e l'importanza di queste proprietà, il team del CERN ha deciso di realizzare i prototipi tramite stereolitografia.
Grazie alla formazione fornita da Formlabs, i membri del team di ricerca hanno acquisito tutte le competenze necessarie per utilizzare le stampanti in modo sicuro e autonomo. Nella maggior parte dei casi, sono loro a creare i design sui programmi di modellazione CAD e a inviarli alle stampanti, il che permette di velocizzare il workflow.
Parti stampate in 3D in Black Resin utilizzate per l'assemblaggio di un prototipo di rivelatore in scala reale (60 x 60 x 300 mm3). Il prototipo nella fotografia in alto è un modello di una nuova categoria di rivelatori di particelle basato su sensori MAPS sottili di grandi dimensioni (90 x 280 mm2, con spessore di 30-40 µm), attualmente in fase di sviluppo per ALICE, uno dei grandi esperimenti condotti sull'LHC.
La grande libertà di progettazione consentita dalla produzione additiva permette di ottenere forme tridimensionali complesse, allineandosi perfettamente con la nuova tendenza di sviluppare rivelatori di particelle con strutture personalizzate, versatili ed elaborate.
Oggigiorno, l'utilizzo di materiali polimerici stampati in 3D è in forte crescita negli esperimenti condotti sull'LHC. Tuttavia, i rigorosi requisiti dettati dall'esposizione alle radiazioni all'interno dell'area sperimentale, che possono alterare le proprietà meccaniche, impongono che i materiali stampati possiedano qualifiche specifiche.
"Per questo motivo", spiega Angeletti, "vorremmo rendere i materiali Formlabs più idonei per ambienti soggetti a grandi quantità di radiazioni, come l'area sperimentale, in modo da prolungarne l'utilizzo per le parti funzionali dei rivelatori".
Attualmente, le resine più usate nel processo di prototipazione dei rivelatori di particelle sono la Black Resin e la Clear Resin, ma il team del CERN sta anche testando la Rigid 4000 Resin e la Rigid 10K Resin per l'eventuale produzione futura di parti per utilizzo finale.
"Le stampanti 3D rendono tutto più semplice e veloce, permettendoci di gestire il processo dall'inizio alla fine. Inoltre si possono creare i file in autonomia e inviarli alla stampante, il tutto con grande facilità. La stampa 3D consente anche di eseguire molti cicli di iterazione. Se in passato la consegna da parte dei fornitori esterni avrebbe impiegato diverse settimane, ora possiamo ottenere il pezzo finale nel giro di pochi giorni. È incredibile."
Massimo Angeletti, ingegnere meccanico, CERN
Il futuro della stampa 3D in ambito di ricerca
"Sarebbe davvero fantastico implementare sistematicamente le parti stampate in 3D e ridurre al minimo la produzione standard", prosegue Angeletti. Per il futuro, si aspetta di poter realizzare con la stampa 3D non solo dispositivi elettronici come sensori e componenti, ma quasi un intero rivelatore. Inoltre, una volta testati, Angeletti spera di usare nuovi fotopolimeri approvati per l'esposizione alle radiazioni.
Dai dispositivi millifluidici ai beam splitter galvanizzati, le antenne ad alte prestazioni, le unità di calibrazione e lo studio dei coralli, scienziati e scienziate di tutto il mondo utilizzano la stampa 3D per accelerare la ricerca, ridurre i costi, velocizzare lo sviluppo di configurazioni sperimentali avanzate e produrre dispositivi scientifici personalizzati.
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