Как ЦЕРН использует 3D-печать для создания детекторов частиц

Европейская организация по ядерным исследованиям, также известная как ЦЕРН, является исследовательским центром физики высоких энергий, в котором находится крупнейшая в мире лаборатория физики элементарных частиц. ЦЕРН является домом для самого большого и мощного в мире ускорителя частиц — Большого адронного коллайдера (БАК).

БАК, один из самых грандиозных и дорогих научных инструментов, когда-либо построенных, поможет человечеству ответить на некоторые фундаментальные открытые вопросы в физике, касающиеся основных законов, управляющих взаимодействиями и силами между элементарными объектами, глубинной структуры пространства и времени и, в частности, взаимосвязи между квантовой механикой и общей теорией относительности.

Массимо Анджелетти, инженер-механик, является сотрудником отдела технологии детекторов экспериментальной физики (EP-DT), участвующего в строительстве, сборке и установке детекторов частиц. Читайте далее, чтобы узнать, как этот отдел ЦЕРНа использует 3D-печать для быстрого прототипирования, исследований и разработок.

Пример напечатанных на 3D-принтере опорных конструкций из черной смолы. Их цель — удерживать три изогнутых тонких чип-сенсора (ALPIDE MAPS-сенсоры, толщиной 40 мкм) в положении во время теста с пучками частиц.

Быстрое прототипирование детекторов частиц

Отдел, в котором работает Массимо, использует 3D-печать уже более шести лет для различных задач, применяя два стереолитографических (SLA) 3D-принтера Form 2 и один Form 3L, которые теперь являются ключевыми инструментами для исследований и разработки нового поколения детекторов частиц, которые будут установлены в БАК.

Благодаря быстрому прототипированию на собственных 3D-принтерах, им удалось сократить сроки разработки, снизить затраты и найти новые конструктивные решения, недостижимые при традиционной механической обработке. До организации собственного производства им приходилось полагаться на поставщиков и ждать недели, чтобы даже довольно простые напечатанные детали попали в ЦЕРН. Принтеры и материалы Formlabs в основном используются для прототипов, а также для форм и инструментов, применяемых при сборке и тестировании детекторов.

Команда Массимо также тестировала принтеры FDM-технологии, но поняла, что качество поверхности, стойкость к загрязнениям и долговечность деталей были значительно ниже, чем у деталей, напечатанных по технологии SLA. Из-за высокой точности, требуемой для деталей, эти свойства имели первостепенное значение для команды ЦЕРНа, и поэтому они решили использовать SLA для своих прототипов.

Благодаря обучению, предложенному Formlabs, исследователи могут безопасно и независимо работать с принтерами. В большинстве случаев именно они создают проекты с помощью программ CAD-моделирования и отправляют их на печать, что помогает ускорить рабочий процесс.

Несколько напечатанных на 3D-принтере деталей из черной смолы, использованных для сборки прототипа детектора в реальном масштабе (60 x 60 x 300 мм³). Прототип на верхнем фото — модель новой категории детектора для отслеживания частиц, основанная на больших тонких MAPS-сенсорах (90 x 280 мм², толщиной 30-40 мкм), которая разрабатывается для ALICE, одного из крупных экспериментов на БАК.

Уникальная свобода проектирования, предоставляемая аддитивным производством, позволяет создавать сложные трехмерные формы. Это хорошо согласуется с новой тенденцией разработки кастомизированных, универсальных и замысловатых структур детекторов частиц.

На сегодняшний день 3D-печатные полимерные материалы все чаще используются внутри экспериментов на БАК. Однако строгие требования, обусловленные воздействием доз радиации в экспериментальной зоне, которое может изменять механические свойства, требуют специальной квалификации печатных материалов.

«По этой причине мы хотели бы, — объясняет Анджелетти, — дополнительно охарактеризовать материалы Formlabs для сред с высоким уровнем радиации, чтобы расширить их использование в функциональных частях детекторов в экспериментальной зоне».

Наиболее часто используемыми смолами в процессе прототипирования детекторов частиц в настоящее время являются Black Resin (Черная смола) и Clear Resin (Прозрачная смола), но команда ЦЕРНа также тестирует Rigid 4000 Resin и Rigid 10K Resin для возможного производства готовых деталей в будущем.

«3D-принтеры делают все проще и быстрее. Вы владеете процессом от начала до конца. Вы сами создаете файлы и отправляете их на принтер, и это, безусловно, приятно. 3D-печать также позволяет проводить множество итераций. За несколько дней у вас есть готовое изделие, которое было бы доставлено неделями позже, если бы его отправляли сторонним организациям. Это невероятно».

Массимо Анджелетти, инженер-механик, ЦЕРН

Будущее 3D-печати в исследованиях

«Было бы очень здорово, — объясняет Анджелетти, — глубоко внедрить 3D-печатные детали и свести к минимуму стандартное производство». Фактически, он видит будущее, в котором детектор будет почти полностью напечатан на 3D-принтере, за исключением электроники, такой как сенсоры и их компоненты. После испытаний в условиях высоких уровней радиации Анджелетти также надеется использовать новые фотоотверждаемые полимеры, прошедшие радиационную квалификацию, в возможных будущих экспериментах.

От миллифлюидных устройств и гальванизированных делителей пучка до высокопроизводительных антенн, калибровочных блоков и изучения кораллов — ученые по всему миру используют 3D-печать для ускорения исследований, снижения стоимости и ускорения разработки передовых экспериментальных установок, а также для изготовления пользовательских научных приборов.

Изучите различные 3D-принтеры, материалы и области применения, чтобы узнать, как сделать 3D-печать вашим главным инструментом для исследований и образования.