Как ЦЕРН использует 3D-печать для создания детекторов частиц
Европейская организация ядерных исследований , также известная как ЦЕРН, представляет собой исследовательский центр физики высоких энергий, который управляет крупнейшей в мире лабораторией физики элементарных частиц. В ЦЕРНе находится крупнейший и самый мощный в мире ускоритель частиц — Большой адронный коллайдер (БАК).
Как один из самых грандиозных и дорогих научных инструментов,
Массимо Анджелетти, инженер-механик, является сотрудником отдела технологии экспериментальных физических детекторов (EP-DT), занимающегося конструированием, сборкой и установкой детекторов частиц. В этой статье будет рассказано, как ЦЕРН использует 3D-печать для быстрого прототипирования, исследований и разработок.
Пример конструкции, напечатанной на 3D-принтере из черной фотополимерной смолы. Эта деталь удерживает три изогнутых датчика с тонкими чипами (датчики ALPIDE MAPS толщиной 40 мкм) в нужном положении во время теста с пучками частиц.
Быстрое прототипирование детекторов частиц на 3D принтере
Отдел, в котором работает Массимо, уже более шести лет использует 3D-печать для различных целей, используя два стереолитографических (SLA) 3D принтера Form 2 и Form 3L , которые в настоящее время являются ключевыми инструментами для исследования и разработки детекторов частиц нового поколения, которые будут установлены на БАК.
Благодаря быстрому прототипированию с помощью 3D-принтеров они смогли сократить время разработки, снизить затраты и найти новые компоновочные решения, недостижимые при традиционной методах изготовления. До собственного производства им приходилось полагаться на поставщиков и неделями ждать, пока даже довольно простые напечатанные на 3D-принтере детали поступят в ЦЕРН. Принтеры и материалы Formlabs в основном используются для прототипов, а также для форм и инструментов, используемых при сборке и тестировании детекторов.
Команда Массимо также тестировала принтеры, использующие технологию FDM, но обнаружила, что качество поверхности, устойчивость к загрязнениям и долговечность деталей значительно ниже, чем у деталей, напечатанных по технологии SLA. Из-за высокой точности требуемых деталей эти свойства были крайне важны для команды, поэтому они решили использовать именно SLA 3D принтеры для своих прототипов.
Благодаря обучению, предлагаемому Formlabs, исследователи могут безопасно и независимо управлять принтерами. В большинстве случаев именно они создают проекты с помощью программ моделирования САПР и отправляют их на печать, что помогает значительно ускорить рабочий процесс.
Несколько напечатанных на 3D-принтере деталей из черной фотополимерной смолы, используемых для сборки прототипа детектора в реальном масштабе (60 x 60 x 300 м м³). Прототип на верхнем рисунке — это модель детектора отслеживания частиц на основе больших тонких датчиков MAPS (90 x 280 м м² , толщиной 30–40 мкм), который разрабатывается для ALICE, одного из крупных экспериментов на БАК.
Уникальная свобода проектирования, предлагаемая аддитивным производством, позволяет создавать сложные трехмерные формы. Это хорошо согласуется с новой тенденцией разработки индивидуальных, универсальных и сложных структур детекторов частиц.
На сегодняшний день полимерные детали, напечатанные на 3D-принтере, все чаще используются в экспериментах на БАК. Однако жесткие требования, связанные с воздействием доз облучения в экспериментальной зоне, которые могут изменить механические свойства, требуют специальной структуры материалов для 3D печати.
«По этой причине, — объясняет Анджелетти, — дополнительно исследовать материалы Formlabs для сред с высоким уровнем радиации, чтобы расширить их использование в функциональных частях детекторов в экспериментальной зоне».
В настоящее время в процессе прототипирования детекторов частиц чаще всего используются смолы Black Resin и Clear Resin, но команда ЦЕРН также тестирует смолу Rigid 4000 и Rigid 10K для использования в будущем.
«3D-принтеры делают все проще и быстрее. Вы владеете процессом от начала до конца. Вы сами создаете файлы и отправляете их на печать и это, безусловно, приносит особое удовлетворение».
Массимо Анджелетти, инженер-механик, ЦЕРН
Будущее 3D печати в научных исследованиях
«Было бы очень хорошо, — говорит Анджелетти, — глубоко внедрить 3D-печать в процесс и свести к минимуму стандартное производство». После испытаний в экспериментах с высоким уровнем радиации Анджелетти, также надеется использовать новые фотополимеры, пригодные для радиации, в возможных будущих экспериментах.
От миллифлюидных устройств до гальванических светоделителей и высокопроизводительных антенн, калибровочных устройств и изучения кораллов — ученые всего мира используют 3D-печать для ускорения научных исследований, снижения стоимости и ускорения разработки передовых экспериментальных установок, а также для изготовления нестандартных устройств.
