La fabrication additive ouvre de nouvelles perspectives au CERN

Feb 22, 2021
Vidéo expliquant le procédé de fabrication additive. Traduction : Au CERN, la fabrication additive – ou impression 3D – produit des pièces métalliques pour la physique des hautes énergies. Des couches de poudre métalliques sont fondues à l’aide d’un faisceau laser selon un modèle prédéfini. La fusion successive de milliers de couches de poudre superposées aboutit à la formation d’un objet. Les pièces aux formes complexes ainsi créées sont légères et robustes. En titane, acier inoxydable ou même en niobium, ces pièces s’introduisent jusqu’au cœur des accélérateurs et détecteurs.(Video: CERN)

Cela fait maintenant quatre ans que le groupe Ingénierie mécanique et des matériaux du département Ingénierie (EN-MME) utilise une machine de fabrication additive métallique (procédé connu aussi sous le nom d’« impression 3D ») pour produire des pièces aux géométries complexes.

L’intérêt de la fabrication additive est de pouvoir créer des composants légers et monobloc intégrant de multiples fonctions. Ce procédé rencontre un succès indéniable dans les domaines de l’aérospatial et du médical, où son utilisation explose. Jusqu’à présent, il a en revanche été peu utilisé dans le domaine des accélérateurs de particules, aux besoins très particuliers. Pour l’ultravide, la cryogénie et les cavités radiofréquence notamment, le CERN produit et caractérise des composants répondant à des exigences très spécifiques, pouvant nécessiter l’emploi de matériaux rares comme le niobium

La technique de fabrication additive retenue par le CERN est la fusion sélective par laser : une poudre métallique est fondue de façon successive, couche par couche, à l’aide d’un faisceau laser. La trajectoire du laser est définie par un modèle tridimensionnel. En enchaînant les étapes de dépôt de poudre métallique et de fusion jusqu’à plusieurs milliers de fois, un objet va prendre forme.

Grâce à ce procédé, tout utilisateur peut à présent imaginer et concevoir des pièces jusqu’alors difficiles, voire impossibles, à fabriquer. En effet, la fusion sélective par laser permet de réaliser des pièces robustes aux formes complexes et intégrant, par exemple, des canaux de refroidissement (comme illustré ci-dessous dans le cas de la charge spirale radiofréquence pour CLIC). The process requires relatively little raw material while preserving good mechanical properties. This is shown in the case of beam wire scanners, which have to be light but rigid.

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La charge spirale permet de dissiper la puissance électromagnétique des cavités radiofréquence de l’installation d’expérimentation en bande X (Xbox) du projet CLIC. La fabrication additive rend cette pièce compacte et permet d’y introduire des canaux de refroidissement (en orange sur l’image 3D). (Image: CERN)

Si cette technologie est bien maîtrisée pour des matériaux courants, tels que les alliages d’aluminium, de titane, ou les aciers inoxydables, la fabrication additive de matériaux rares comme le niobium, élément supraconducteur omniprésent dans les cavités radiofréquence des accélérateurs du CERN, a en revanche été peu explorée. Un programme de développement est en cours depuis quelques années, avec des résultats prometteurs : de premiers composants, tels que les coupleurs HOM, ont ainsi pu être fabriqués à l’aide de cette technique. Cependant des défis restent à relever, liés notamment à la pureté des matériaux, à la rugosité des surfaces et à la haute précision dimensionnelle que ces pièces doivent atteindre.

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Ce prototype de coupleur HOM réalisé en niobium permet d’amener des canaux de refroidissement jusque dans la pointe du crochet, où les champs électromagnétiques sont intenses. (Image: CERN)

Outre un équipement pour la fabrication additive de pièces métalliques, le CERN possède également une imprimante pour plastiques. Celle-ci, exploitée par le groupe Aimants, su-praconducteurs et cryostats du département Technologie (TE-MSC), produit des pièces en résines plastiques (notamment l’époxy) par stéréolithographie, une technique consistant à faire durcir de la résine époxy liquide grâce à un laser. Parmi les applications de cette tech-nique, on trouve des pièces résistantes aux radiations et d’isolation électrique haute tension pour les détecteurs, mais aussi beaucoup de moules et de prototypes.

La fabrication additive va poursuivre son développement dans le monde des accélérateurs. En élargissant la palette des possibilités offertes par les technologies conventionnelles, ce nouvel outil devrait contribuer à relever les nombreux défis techniques posés par les projets d’avenir, tels que le Futur Collisionneur Circulaire (FCC).

Pour plus d’informations sur la fabrication additive métallique, adressez-vous à Gilles Favre; Pour tout ce qui concerne les pièces en résine plastique, écrivez à Sébastien Clément.

 

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Support de bobine pour les composants électroniques du système d’accélération du faisceaux de particules du PS (à droite, les parties blanches) et support de réflecteur optique à isolation thermique pour le système de surveillance de position d’aimant supraconducteur. Les deux pièces plastiques ont été formées par fabrication additive (Image: CERN)

 


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