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Cómo el CERN utiliza la impresión 3D para construir detectores de partículas

06 febrero 2023

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3 minutos de lectura

La Organización Europea para la Investigación Nuclear, también conocida como CERN, es un centro de investigación de física de alta energía que regenta el mayor laboratorio de física de partículas del mundo. El CERN alberga el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés).

Es uno de los instrumentos científicos más grandiosos y costosos que se ha construido nunca y ayudará a la humanidad a responder a algunas de las grandes preguntas fundamentales de la física, que giran en torno a las leyes básicas que rigen las interacciones y las fuerzas entre las partículas elementales, la estructura profunda del espacio y el tiempo y, en particular, la interrelación entre la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad.

Massimo Angeletti es ingeniero mecánico y miembro del departamento de Tecnologías de Detección de Física Experimental (EP-DT), que se encarga de la construcción, el montaje y la instalación de detectores de partículas. Sigue leyendo para descubrir cómo este departamento del CERN utiliza la impresión 3D para prototipado rápido e I+D.

Un ejemplo de estructuras de soporte impresas en 3D con la resina Black. Su cometido es mantener en su sitio tres sensores de chip delgados curvos (sensores ALPIDE MAPS, de 40 µm de grosor) durante un ensayo con haces de partículas.

Prototipado rápido de detectores de partículas

El departamento en el que trabaja Massimo ha estado utilizando la impresión 3D durante más de seis años para distintas aplicaciones, usando dos impresoras 3D de estereolitografía (SLA) Form 2 y una Form 3L que ahora son herramientas clave para la investigación y el desarrollo de la nueva generación de detectores de partículas que se instalarán en el Gran Colisionador de Hadrones.

Al realizar el prototipado rápido con impresoras 3D en sus propias instalaciones, han podido reducir los tiempos de desarrollo y los costes, además de encontrar nuevas soluciones para la disposición de sus herramientas que no estaban a su alcance con el mecanizado tradicional. Antes de la producción in situ, tenían que depender de proveedores y esperar semanas para recibir en el CERN las piezas impresas en 3D, incluso las relativamente sencillas. Las impresoras y materiales de Formlabs se utilizan principalmente para crear prototipos, pero también para los moldes y las herramientas que se utilizan durante el montaje y el ensayo de los detectores.

LIBRO BLANCO

Guía sobre la creación rápida de prototipos para el desarrollo de productos

En este guía, aprenderás cómo se integra el prototipado rápido en el proceso de desarrollo de productos, sus aplicaciones y qué herramientas de prototipado rápido están disponibles actualmente para los equipos de desarrollo de productos.

El equipo de Massimo también probó las impresoras de tecnología FDM, pero se dio cuenta de que la calidad de la superficie, la resistencia a la suciedad y la durabilidad de las piezas era considerablemente menor que la de las piezas impresas mediante estereolitografía. Debido a la alta precisión necesaria para las piezas, estas propiedades eran de suma importancia para el equipo del CERN, por lo que decidieron optar por la SLA para crear sus prototipos.   

Gracias a la formación que ofrece Formlabs, los investigadores pueden utilizar las impresoras de forma segura y autónoma. En la mayoría de los casos, son ellos quienes crean los diseños utilizando programas de modelado en CAD y los envían a la impresora, lo que ayuda a agilizar el flujo de trabajo.

Varias piezas impresas en 3D con la resina Black, utilizadas para el montaje de un prototipo de detector a escala real (60 x 60 x 300 mm3). El prototipo en la imagen de arriba es un modelo de una nueva categoría de detector de seguimiento de partículas, basado en grandes sensores delgados de píxeles activos monolíticos MAPS (90 x 280 mm2 y 30-40 µm de grosor). Este detector se está desarrollando para ALICE, uno de los grandes experimentos del Gran Colisionador de Hadrones.

La libertad única de diseño que ofrece la fabricación aditiva hace posible producir formas tridimensionales complejas. Esto encaja bien con la novedosa tendencia de desarrollar estructuras personalizadas, versátiles y complejas para los detectores de partículas.

Actualmente, cada vez se utilizan más los materiales poliméricos impresos en 3D en los experimentos con el Gran Colisionador de Hadrones. Sin embargo, los requisitos estrictos, que provienen de la exposición a dosis de radiación en el área experimental, que puede cambiar las propiedades mecánicas de los materiales, estos últimos necesiten unas cualidades específicas. 

“Por este motivo”, explica Angeletti, “nos gustaría caracterizar más los materiales de Formlabs para entornos con grandes cantidades de radiación, con el fin de extender su uso en piezas funcionales de los detectores en el área de los experimentos”.

Las resinas que más se utilizan actualmente durante el proceso de prototipado de los detectores de partículas son de resina Black y la Clear, pero el equipo del CERN también está sometiendo a ensayo la resina Rigid 4000 y la Rigid 10K para posiblemente fabricar piezas de uso final en el futuro.

"Las impresoras 3D hacen que todo sea más fácil y rápido. Controlas el proceso de principio a fin. Creas los archivos por tu cuenta y los envías a la impresora, y eso es sin duda es satisfactorio. La impresión 3D también ofrece una gran capacidad de iteración. En unos pocos días, tendrás la pieza final que se habría entregado semanas más tarde si se hubiera enviado a terceros. Es increíble".

El futuro de la impresión 3D en la investigación

“Sería realmente bueno”, explica Angeletti, “poder aplicar en profundidad las piezas impresas en 3D y minimizar la fabricación estándar». De hecho, ve en el futuro un detector casi totalmente impreso en 3D, si no se tienen en cuenta elementos electrónicos como los sensores y sus componentes. Una vez se hayan sometido a ensayo para experimentos con altas cantidades de radiación, Angeletti también espera utilizar nuevos fotopolímeros preparados para la radiación en posibles experimentos futuros.

Científicos de todo el mundo utilizan la impresión 3D para acelerar la investigación, reducir los costes, agilizar el desarrollo de sistemas experimentales avanzados y fabricar aparatos científicos personalizados. Esto se refleja en aplicaciones como los dispositivos milifluídicos, los divisores de haz galvanizados, las antenas de alto rendimiento, las unidades de calibración y el estudio de los corales. 

Explora las diferentes impresoras 3D, sus materiales y sus aplicaciones para descubrir cómo puedes convertir la impresión 3D en tu herramienta definitiva de investigación y educación.

 

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