L'expérience LHCb du CERN accélère les capacités de détection des particules grâce à un système de refroidissement imprimé en 3D

À une centaine de mètres sous les Alpes suisses et françaises se trouve le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde. Cette construction impressionnante est utilisée par le CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, pour mener des recherches en physique des hautes énergies dans le cadre de quatre expériences clés.

S'étirant sur 27 kilomètres pour permettre l'accélération des particules et l'accroissement de leur énergie, les réactions observables se produisent au niveau de quatre points de croisement des faisceaux, équipés de grands détecteurs de particules. Dans le volume de détection de l'expérience LHCb, une bande longue et extrêmement étroite de détecteurs de photons doit être refroidie à -40 ˚C pour préserver la réaction à étudier. Cette bande mesure environ 140 mètres de long, fait moins de 2 mm de large et est fixée à des barres de refroidissement en titane imprimées en 3D qui prennent en charge la totalité du refroidissement.

Ces barres de refroidissement, qui sont le fruit d’une collaboration entre le Nikhef, l’Institut national néerlandais de physique subatomique et l’Application Innovation Group de 3D Systems, ont été produites à l’aide de la technologie d’impression directe en métal (DMP) de 3D Systems. Pour sa contribution à la réussite de l’expérience, 3D Systems a reçu le prix de l’industrie LHCb 2019.

Dans le LHC, la collision des particules a lieu à l'intérieur des détecteurs, des systèmes ultra sophistiqués capables de collecter des informations sur les propriétés des particules fondamentales. Les détecteurs modernes incluent des couches de sous-détecteurs parmi lesquels figurent des dispositifs de suivi, tels que le trajectographe SciFi de l'expérience LHCb (pour « fibres scintillantes »), qui suit la trajectoire d'une particule. D'autres systèmes de sous-détecteurs permettent également de mesurer l'énergie et la luminosité instantanée d'une particule.

Antonio Pellegrino travaille au Nikhef et dirige le projet du trajectographe SciFi au sein du CERN pour l'expérience LHCb (Large Hadron Collider beauty). Il explique que la complexité du système de refroidissement est la conséquence de plusieurs facteurs inévitables : l'espace incroyablement limité dans lequel les barres de refroidissement doivent être installées, la chaleur qui doit être dissipée à l'intérieur de cet espace limité, l'uniformité de la température requise sur toute la longueur de la bande de détection de photons et la planéité des barres de refroidissement nécessaire pour préserver l'efficacité et la résolution du détecteur. « Ceci impose donc d'être particulièrement efficace dans la construction de votre système de refroidissement », explique-t-il.

Rob Walet, ingénieur projet au Nikhef, a commencé à développer la barre de refroidissement en concevant une pièce qui répondait parfaitement aux exigences de performance. « Cette conception était d'une pure beauté, explique M. Pellegrino, mais elle ne pouvait pas être produite selon les procédés habituels. » Un des problèmes majeurs, qui compliquait la fabrication habituelle, était l'épaisseur de paroi requise. Pour une efficacité optimale, il était important de limiter au maximum la matière présente entre le liquide de refroidissement et la surface à refroidir. Compte tenu de la longueur de la pièce (263 mm), il était impossible d'usiner une paroi aussi mince.

Au terme d'une première expérimentation par prototypage manuel, le CERN a rapidement compris qu'une production manuelle n'était pas envisageable. Non seulement elle nécessiterait trop de main-d'œuvre, mais elle serait difficile à reproduire. Face à ce constat, l'équipe a commencé à chercher d'autres options et à étudier les possibilités offertes par l'impression 3D en métal.

Même si le CERN avait optimisé la conception de la barre de refroidissement pour la fonction finale, elle n'était pas encore optimisée pour la fabrication additive. C'est cette lacune qui a guidé le CERN dans son choix d'un partenaire de fabrication. « Parmi les quelques sociétés envisagées, nous avons choisi 3D Systems, car il m'a semblé que ses ingénieurs étaient vraiment capables de transformer notre conception en quelque chose de réalisable », explique M. Pellegrino.

Le CERN a bénéficié de l'expertise en ingénierie d'application du Centre d'innovation des clients (CIC) de 3D Systems situé à Louvain, en Belgique, pour accélérer sa transition vers la fabrication additive. Les CIC de 3D Systems sont des installations mondiales dotées de l'expérience et de la technologie nécessaires pour prendre en charge les applications de fabrication additive dans les domaines de la haute technologie, de l'aérospatiale, de la santé, des transports et des sports automobiles. Les CIC de 3D Systems peuvent conseiller et fournir une assistance sur des projets à n'importe quel stade, du développement d'applications et de l'ingénierie en amont, à la validation d'équipements, la validation de processus, en passant par la qualification de pièces et la production.

En tant que fabricant et utilisateur de solutions de fabrication additive, 3D Systems bénéficie d'une boucle de rétroaction unique puisque l'entreprise peut profiter à la fois du retour de ses ingénieurs d'application et de celui de ses groupes d'ingénierie mécanique. Cette communication ouverte permet d'améliorer en permanence les logiciels, le matériel, les matériaux et les processus d'impression de 3D Systems pour obtenir les meilleurs équipements et les meilleurs résultats.

Grâce à un processus itératif et collaboratif de conception, d'impression et d'essai, les équipes d'ingénieurs du CERN et de 3D Systems ont collaboré pour modifier la conception de la barre de refroidissement afin qu'elle réponde aux exigences de fabrication et de fonction finale.

Les exigences de performance étaient les suivantes :

• Épaisseur de la paroi. Une des principales spécifications de la pièce était une épaisseur de paroi de 0,25 mm. La grande précision dimensionnelle des machines DMP de 3D Systems ainsi que l'expertise en interne de 3D Systems dans l'ajustement des paramètres laser, par rapport à la stabilité et à la largeur du bain de fusion de la poudre de titane, ont permis d'obtenir cette épaisseur. 
• Étanchéité. Les exigences en matière d'étanchéité ont conduit à choisir le matériau LaserForm^® TiGr23, un alliage en titane extrêmement résistant. L'ensemble de paramètres personnalisés développé par 3D Systems pour le projet a également permis de respecter ces exigences.
• Planéité. La planéité devait absolument présenter une précision de 50 microns sur toute la longueur de la pièce de 263 mm. Cette planéité a été obtenue au moyen de différentes stratégies de conception dédiées à la fabrication additive, mises en œuvre par les ingénieurs d'application de 3D Systems, ainsi que grâce à des recommandations en matière de stratégie de construction, telles qu'une orientation d'impression verticale.

Il était essentiel d'optimiser la conception de la barre de refroidissement pour la production afin de satisfaire la dernière commande de plus de 300 unités de précision. Selon M. Pellegrino, l'intérêt majeur de l'impression 3D au niveau de la production résidait dans la rentabilité du procédé compte tenu de l'extrême complexité des composants ainsi que la possibilité de respecter les tolérances peu communes nécessaires à la réussite de l'application finale. « Nous avions besoin d'un moyen fiable d'obtenir à la fois la pièce et les performances que nous recherchions », explique M. Pellegrino.

Outre le fait que 3D Systems possède des installations certifiées ISO 9001, ISO 13485 et AS/EN9100, la société collabore à des centaines d'applications critiques dans des secteurs où la qualité et les performances sont primordiales. L'approche systématisée de 3D Systems en matière de transition et de mise à l'échelle, du prototypage jusqu'à la production, a permis de garantir un processus rationalisé jusqu'à l'obtention de pièces qualifiées par fabrication additive.

Les conseils de fabrication portaient sur les points suivants :

• Stratégie de conception. La barre de refroidissement finale a été conçue comme un ensemble de composants A et B en miroir soudés ensemble pour former une pièce complète. Le CERN a ainsi obtenu les fonctionnalités, les dimensions et la qualité dont il avait besoin avec un assemblage minimum.
• Orientation de l'impression. Avec la fabrication additive, l'orientation d'une pièce sur la plate-forme de fabrication peut avoir un impact sur les besoins de soutien. En se basant sur la géométrie de la conception du CERN, les ingénieurs de 3D Systems ont conseillé une orientation verticale pour que la pièce puisse se soutenir elle-même au maximum.
• Nettoyage de la pièce. La barre de refroidissement a été conçue avec des canaux de refroidissement parallèles, ce qui peut poser problème pour contrôler et éliminer complètement la poudre. Grâce à son importante expérience dans le post-traitement, 3D Systems est parvenu à identifier un protocole de nettoyage garantissant une évacuation complète du matériau de la pièce.

D'après les tests de contrainte réalisés, les barres de refroidissement devraient durer au moins 10 ans. Même si M. Pellegrino est d'avis que seul le temps dira si cette durabilité est réelle, il pense que les barres de refroidissement seront plus fiables en raison des faibles besoins d'assemblage induits par la fabrication additive et de la capacité à fabriquer une forme optimisée dans un seul et même matériau.

Selon M. Pellegrino, le rôle joué par la fabrication additive dans la résolution des problèmes a été un énorme avantage pour l'équipe du CERN et le succès de ce projet a éveillé l'intérêt de collègues pour la fabrication additive alors qu'ils ne l'avaient jamais utilisée auparavant. « L'impression 3D offre réellement de nouvelles possibilités, explique M. Pellegrino. « On peut vraiment repousser les limites. »

Concernant sa propre expérience avec 3D Systems, M. Pellegrino indique qu'il a déjà impliqué les experts en application de la société dans de nouveaux projets.