A Organização Européia para Pesquisa Nuclear , também conhecida como CERN, é um centro de pesquisa em física de altas energias que opera o maior laboratório de física de partículas do mundo. O CERN abriga o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo, o Large Hadron Collider (LHC – Grande Colisor de Hadrons).
Grande Colisor de Hadrons – LHC
Um dos instrumentos científicos mais grandiosos e caros já construídos, o LHC ajudará a humanidade a responder algumas das questões fundamentais em aberto na física, que dizem respeito às leis básicas que regem as interações e forças entre os objetos elementares, a estrutura profunda do espaço e do tempo, e em particular a inter-relação entre a mecânica quântica e a relatividade geral.
Massimo Angeletti, engenheiro mecânico, é membro do departamento de Tecnologia de Detectores de Física Experimental (EP-DT) envolvido na construção, montagem e instalação de detectores de partículas.
Prototipagem Rápida de Detectores de Partículas utilizando impressoras 3D de estereolitografia
O departamento em que Massimo trabalha utiliza a impressão 3D há mais de seis anos para diferentes aplicações, utilizando duas impressoras 3D de estereolitografia (SLA) Form 2 e uma Form 3L que são agora ferramentas chave para a pesquisa e desenvolvimento da nova geração de partículas detectores que serão instalados no LHC.
Através da prototipagem rápida com impressoras 3D internas, eles conseguiram reduzir os tempos de desenvolvimento, reduzir custos e encontrar novas soluções de layout não alcançáveis com a usinagem tradicional. Antes da produção interna, eles tinham que confiar em fornecedores e esperar semanas até que as peças impressas em 3D bastante simples chegassem ao CERN. As impressoras e materiais Formlabs são usados principalmente para protótipos, mas também para moldes e ferramentas usadas durante a montagem e teste de detectores.
Impressoras 3D de estereolitografia
SLA (Stereolithography)
A impressão SLA funciona a partir da exposição de uma camada de resina fotopolimérica a uma fonte de luz. Isso faz com que a resina se solidifique e se adeque ao formato do objeto desejado. Em seguida, uma nova camada é adicionada por cima e exposta à luz, repetindo-se o processo até que o objeto esteja completo.
A equipe da Massimo também testou impressoras com tecnologia FDM, mas percebeu que a qualidade da superfície, a resistência à sujeira e a durabilidade das peças eram significativamente menores do que as peças impressas em SLA. Devido à alta precisão das peças necessárias, essas propriedades foram de extrema importância para a equipe do CERN, que decidiu usar o SLA para seus protótipos.
Graças ao treinamento oferecido pela Formlabs, os pesquisadores podem operar as impressoras com segurança e independência. Na maioria dos casos, são eles que criam os desenhos usando programas de modelagem CAD e os enviam para a impressora, o que ajuda a agilizar o fluxo de trabalho.
A liberdade única de design oferecida pela manufatura aditiva possibilita a produção de formas tridimensionais complexas. Isso está bem alinhado com a nova tendência de desenvolver estruturas de detectores de partículas personalizadas, versáteis e intrincadas.
Até o momento, os materiais poliméricos impressos em 3D estão sendo cada vez mais usados nos experimentos do LHC. No entanto, as rígidas exigências, advindas da exposição a doses de radiação na área experimental, que podem alterar as propriedades mecânicas, exigem uma qualificação específica dos materiais impressos.
“Por esta razão, gostaríamos”, explica Angeletti, “de caracterizar ainda mais os materiais Formlabs para ambientes de alta radiação, de modo a estender seu uso em partes funcionais dos detectores na área experimental”.
As resinas mais comumente usadas durante o processo de prototipagem dos detectores de partículas atualmente são a resina preta e a resina transparente , mas a equipe do CERN também está testando a resina rígida 4000 e a resina rígida 10K para possivelmente fabricar peças de uso final no futuro.
O futuro da impressão 3D na pesquisa
“Seria muito bom”, explica Angeletti, “implementar profundamente as peças impressas em 3D e minimizar a fabricação padrão”. Na verdade, ele vê o futuro com um detector quase inteiramente impresso em 3D, além da eletrônica, como os sensores e seus componentes. Depois de testado para experimentos de alta radiação, Angeletti também espera utilizar novos fotopolímeros qualificados para radiação em possíveis experimentos futuros.
De dispositivos milifluídicos a divisores de feixe galvanizados e antenas de alto desempenho , unidades de calibração e estudo de corais , cientistas de todo o mundo usam a impressão 3D para acelerar a pesquisa, reduzir o custo e acelerar o desenvolvimento de configurações experimentais avançadas e fabricar dispositivos científicos.
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