L’esperimento LHCb del CERN migliora le capacità di rivelazione delle particelle con un sistema di raffreddamento stampato in 3D

A cento metri di profondità, sotto le montagne al confine tra Svizzera e Francia, si trova il Large Hadron Collider (LHC), l’acceleratore di particelle più grande e potente mai costruito. Questa struttura impressionante è utilizzata dall’Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) per condurre ricerche sulla fisica ad alta energia nell’ambito di quattro esperimenti chiave.

Il tunnel circolare ha una lunghezza di ben 27 chilometri che consente di accelerare le particelle a velocità elevatissima. Le reazioni osservabili avvengono presso quattro punti di collisione dei fasci attrezzati con rivelatori di particelle di grandi dimensioni. Nell’ambito del volume di rilevamento dell’esperimento LHCb, una striscia di fotorivelazione lunga e strettissima deve essere raffreddata a una temperatura di -40 ˚C al fine di preservare la reazione per lo studio. Questa striscia, lunga circa 140 metri e larga meno di due millimetri, è collegata a barre refrigeranti in titanio stampate in 3D interamente responsabili delle operazioni di raffreddamento.

Le barre refrigeranti sono il risultato di una collaborazione tra Nikhef, l’Istituto Nazionale Olandese di Fisica Subatomica e 3D Systems Application Innovation Group e sono state realizzate utilizzando la tecnologia di stampa diretta in metallo (DMP, Direct Metal Printing) di 3D Systems. Il contributo di 3D Systems all’ottimizzazione dell’esperimento è stato premiato con il riconoscimento LHCb Industry Award 2019.

Le collisioni delle particelle dell’LHC avvengono all’interno dei rivelatori, ovvero sistemi estremamente sofisticati che consentono di raccogliere informazioni sulle proprietà fondamentali delle particelle. I rivelatori moderni includono strati di sottorilevatori, tra cui dispositivi di tracciamento come il tracker SciFi LHCb, dove SciFi è l’abbreviazione di “scintillating fibers” (fibre scintillanti), che rivelano il percorso di una particella. Attraverso altri sistemi di sottorilevatori è inoltre possibile misurare l’energia e la radiazione di una particella.

Antonio Pellegrino lavora presso il Nikhef ed è a capo del progetto SciFi tracker al CERN nell’ambito dell’ esperimento Large Hadron Collider beauty (LHCb). Il professore spiega che la complessità del sistema di raffreddamento è il risultato di diversi fattori inevitabili: lo spazio incredibilmente limitato a cui le barre refrigeranti devono adattarsi, il calore che deve essere dissipato all’interno di tale spazio, l’uniformità di temperatura richiesta su tutta la lunghezza della striscia di fotorivelazione e la planarità delle barre refrigeranti necessarie per preservare l’efficienza e la risoluzione del rivelatore. “L’effetto di tutti questi fattori è la necessità di costruire il sistema di raffreddamento in una maniera estremamente efficiente”, sostiene Pellegrino.

Rob Walet, ingegnere del progetto presso Nikhef, ha iniziato a sviluppare la barra di raffreddamento progettando una parte che rispondesse esattamente ai requisiti prestazionali. “Quel design era meraviglioso”, afferma Pellegrino, “ma non poteva essere prodotto mediante le tecniche consuete”. Uno dei principali problemi che complicavano la producibilità secondo i mezzi convenzionali era lo spessore di parete richiesto. Per garantire la massima efficacia, era importante disporre di una quantità minima di materiale tra il liquido di raffreddamento e la superficie da raffreddare e, vista la lunghezza della parte (263 mm), ottenere uno spessore talmente ridotto era impossibile.

In seguito a una prima sperimentazione con la prototipazione manuale, il CERN ha rapidamente stabilito che un approccio manuale alla produzione non sarebbe stato pratico. Oltre a richiedere un’alta intensità di lavoro, era difficile da realizzare in modo riproducibile. Con questa consapevolezza, il team ha iniziato a ricercare altre opzioni e a esplorare le capacità della stampa 3D in metallo.

Sebbene il design della barra di raffreddamento fosse già stato ottimizzato per la funzione finale dal team del CERN, non era stato ancora adattato alla produzione additiva; e la consapevolezza di questa lacuna è stato un fattore determinante nella scelta del partner per la produzione da parte del CERN. “Tra le poche aziende che potevano fare al caso nostro, abbiamo optato per 3D Systems perché ho avuto l’impressione che i suoi ingegneri fossero in grado di trasformare il nostro progetto in realtà”, dice Pellegrino.

Il CERN si è avvalso dell’esperienza di ingegneria delle applicazioni del Customer Innovation Center (CIC) di 3D Systems a Lovanio, in Belgio, per accelerare il suo percorso verso la produzione additiva. I CIC di 3D Systems sono strutture globali dotate dell’esperienza e della tecnologia necessarie per supportare le applicazioni di produzione additiva nei settori dell’alta tecnologia, aerospaziale, sanitario, dei trasporti e degli sport motoristici. Questi centri sono in grado di fornire supporto e assistenza in qualsiasi fase dei progetti, tra cui sviluppo delle applicazioni, progettazione frontend, convalida delle apparecchiature, convalida dei processi, qualificazione delle parti e produzione.

In qualità di produttore e utilizzatore di soluzioni per la produzione additiva, 3D Systems vanta un esclusivo circuito di feedback tra ingegneri applicativi e gruppi di ingegneria meccanica. Questa modalità di comunicazione aperta favorisce un costante perfezionamento del software, dell’hardware, dei materiali e dei processi di stampa di 3D Systems, che a sua volta si traduce in attrezzature e risultati migliori.

Grazie a un processo iterativo e collaborativo di progettazione, stampa e collaudo, i team di ingegneri del CERN e di 3D Systems hanno lavorato a stretto contatto per modificare il progetto della barra di raffreddamento in modo da soddisfare i requisiti per la produzione e la funzione finale.

I requisiti prestazionali comprendevano:

• Spessore di parete. Una delle specifiche fondamentali della parte era uno spessore di parete di 0,25 mm. Questo risultato è stato raggiunto grazie all’elevata precisione dimensionale delle macchine DMP e all’esperienza interna di 3D Systems nella regolazione dei parametri laser in base alla stabilità e alla larghezza del pool di fusione della polvere di titanio. 
• Tenuta stagna. Il requisito relativo alla tenuta stagna ha portato alla scelta del materiale LaserForm^® TiGr23, una lega di titanio ad alta resistenza. Al raggiungimento di questo obiettivo ha contribuito inoltre il set di parametri personalizzati sviluppato da 3D Systems appositamente per il progetto.
• Planarità. In termini di planarità, era richiesta una precisione di 50 micron sulla lunghezza della parte di 263 mm. Questo risultato è stato ottenuto mediante diverse strategie di progettazione per la produzione additiva applicate dagli ingegneri applicativi di 3D Systems, nonché raccomandazioni strategiche di costruzione come l’orientamento di stampa verticale.

L’ottimizzazione della progettazione della barra di raffreddamento per la produzione è stata fondamentale per raggiungere efficacemente l’ordine finale di oltre 300 unità di precisione. Secondo Pellegrino, il principale vantaggio dell’utilizzo della stampa 3D per la produzione era l’economicità del processo rispetto all’estrema complessità dei componenti, nonché la capacità di raggiungere le tolleranze straordinarie necessarie per il successo dell’applicazione finale. “Avevamo bisogno di un modo affidabile per ottenere sia la parte sia le prestazioni che ci servivano”, dice Pellegrino.

Oltre a disporre di strutture certificate ISO 9001, ISO 13485 e AS/EN 9100, 3D Systems è partner di centinaia di applicazioni critiche in settori in cui qualità e prestazioni sono di primaria importanza. L’approccio sistematizzato di 3D Systems alla transizione e alla scalabilità dalla prototipazione alla produzione ha assicurato un percorso semplificato verso l’ottenimento di parti idonee alla produzione additiva.

Il supporto alla produzione prevedeva:

• Strategia di progettazione. La barra di raffreddamento finale è stata progettata come un insieme di componenti speculari A e B che vengono saldati insieme per formare una parte completa. Questo ha permesso al CERN di ottenere le caratteristiche, le dimensioni e la qualità richieste con un assemblaggio minimo.
• Orientamento di stampa. Con la produzione additiva, l’orientamento di una parte sulla piattaforma di costruzione può influire sui requisiti del supporto. Sulla base della geometria del progetto del CERN, gli ingegneri di 3D Systems hanno consigliato un orientamento verticale in modo che la parte potesse contare sul massimo livello di supporto autonomo.
• Pulizia della parte. La barra di raffreddamento è stata progettata con canali di raffreddamento paralleli, che possono rappresentare una sfida quando si tratta di controllare e garantire la completa rimozione delle polveri. Grazie alla sua vasta esperienza in post-elaborazione, 3D Systems è stata in grado di assegnare un protocollo di pulizia per garantire la completa rimozione del materiale dalle parti.

Sulla base delle prove di stress, le barre di raffreddamento dovrebbero avere una durata di almeno dieci anni. Nonostante premetta che solo il tempo potrà confermarlo, Pellegrino ritiene che le barre refrigeranti si riveleranno più affidabili in virtù dell’assemblaggio ridotto consentito dalla produzione additiva e della possibilità di costruire una forma ottimizzata con un unico materiale.

Secondo Pellegrino, la produzione additiva si è rivelata un grande vantaggio per il team del CERN in termini di risoluzione dei problemi e il successo del progetto ha suscitato l’interesse nel processo da parte di colleghi che non l’avevano mai utilizzata prima. “La stampa 3D introduce decisamente nuove possibilità”, afferma Pellegrino. “Puoi davvero spingerti al limite”.

Per quanto riguarda la sua collaborazione professionale con 3D Systems, Pellegrino afferma di aver già coinvolto gli esperti di applicazioni dell’azienda in nuovi progetti.