El experimento LHCb de la CERN mejora las capacidades de detección de partículas gracias al sistema de refrigeración impreso en 3D

Cien metros debajo de las montañas de Suiza y Francia se encuentra el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y potente del mundo y de la historia. La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) usa esta impresionante construcción para llevar a cabo investigaciones de física de alta intensidad energética en cuatro experimentos clave.

Las reacciones observables, que se extienden a lo largo de 27 kilómetros a fin de permitir que la aceleración de partículas aumente la velocidad, tienen lugar en cuatro puntos de cruce de rayos equipados con detectores de partículas grandes. Dentro del volumen de detección del experimento de LHCb, una banda de detección de fotones extremadamente angosta se debe enfriar a -40 ˚C a fin de preservar la reacción para el estudio. Esta banda tiene aproximadamente 140 metros de largo, menos de dos milímetros de ancho y está conectada a barras de enfriamiento de titanio impresas en 3D que realizan el 100 % de la operación de enfriamiento.

Estas barras de enfriamiento son producto de la colaboración entre Nikhef —el Instituto Nacional Holandés de Física Subatómica— y el Centro de Innovación para el Cliente de 3D Systems, y se fabricaron usando tecnología de impresión directa en metal (DMP) de 3D Systems. Por su contribución a la exitosa actualización del experimento, 3D Systems recibió el premio de la industria LHCb 2019.

Las colisiones de partículas dentro del LHC tienen lugar en el interior de los detectores, que son sistemas extremadamente sofisticados que permiten reunir información sobre las propiedades fundamentales de las partículas. Los detectores modernos incluyen capas de subdetectores, entre los que se encuentran dispositivos de rastreo como el rastreador LHCb SciFi, forma abreviada para fibras de escintilación, que revelan la trayectoria de una partícula. También es posible medir la energía y la radiación de una partícula a través de otros sistemas de subdetectores.

Antonio Pellegrino trabaja en Nikhef y es líder del proyecto del rastreador de SciFi de la CERN en el experimento belleza del Gran Colisionador de Hadrones (LHCb). Explica que la complejidad del sistema de refrigeración fue el resultado de varios factores inevitables: el espacio increíblemente limitado en el que deben colocarse las barras de refrigeración, el calor que debe disiparse dentro de ese pequeño espacio, la uniformidad de la temperatura necesaria sobre la longitud de toda la banda de detección de fotones y la planitud de las barras de refrigeración necesaria para preservar la eficiencia y resolución del detector. “El efecto es que uno debe ser muy eficiente en la forma de construir la solución de refrigeración”, dice.

El ingeniero de proyectos de Nikhef, Rob Walet, comenzó a desarrollar la barra de enfriamiento diseñando una pieza que respondía perfectamente a los requisitos de rendimiento. “Este diseño era tan hermoso”, dice Pellegrino, “pero no podría producirse de la manera habitual”. Una cuestión importante que complicaba la fabricación mediante medios convencionales era la delgadez de la pared requerida. Para alcanzar la máxima eficacia, era importante tener una cantidad mínima de material entre el refrigerante y la superficie que se enfriaría. Para la longitud de la pieza (263 mm), no era posible mecanizar este espesor.

Después de la experimentación temprana con la elaboración manual del prototipo, la CERN determinó rápidamente que un enfoque de producción manual no era práctico. No solo era un trabajo intensivo, sino que no era fácil de hacer de forma reproducible. Teniendo esto en cuenta, el equipo comenzó a investigar otras opciones y explorar las capacidades de la impresión 3D en metal.

Si bien CERN optimizó el diseño de las barras de enfriamiento para la función final, aún no lo hizo para la fabricación aditiva (AM). La detección de esta falencia influyó en la elección del socio fabricante de la CERN. “De unas pocas empresas posibles, elegimos a 3D Systems porque me pareció que los ingenieros eran capaces de transformar realmente nuestro diseño en algo que se pudiera producir”, dijo Pellegrino.

La CERN aprovechó la experiencia en ingeniería de aplicaciones del Centro de Innovación para el Cliente (CIC) de 3D Systems en Lovaina, Bélgica, para acelerar el camino a seguir con la fabricación aditiva. Los CIC de 3D Systems son instalaciones globales que cuentan con la experiencia y la tecnología para brindar asistencia a aplicaciones para la fabricación aditiva en las siguientes industrias: tecnología de punta, aeroespacial, salud, transporte y deportes de motor. Los CIC de 3D Systems pueden ofrecer asesoramiento y asistencia en proyectos en cualquier etapa, desde el desarrollo de aplicaciones e ingeniería de interfaz de usuario hasta la validación de equipos, validación de procesos, calificación de piezas y producción.

Como fabricante y usuario de soluciones de fabricación aditiva, 3D Systems alberga un bucle de retroalimentación único entre los ingenieros de aplicaciones y los grupos de ingeniería de maquinaria. Esta comunicación abierta impulsa el perfeccionamiento constante del software, el hardware, los materiales y los procesos de impresión de 3D Systems para ofrecer mejores equipos y mejores resultados.

A través de un proceso colaborativo iterativo de diseño, impresión y pruebas, los equipos de ingeniería de la CERN y de 3D Systems trabajaron juntos en la modificación del diseño de las barras de enfriamiento para satisfacer los requisitos de fabricación y de función final.

Los requisitos de rendimiento incluían los siguientes:

• Espesor de la pared. Una especificación principal de la pieza era que tuviera un espesor de pared de 0,25 mm. Esto se logró gracias a la alta precisión dimensional de las máquinas DMP de 3D Systems así como a la experiencia interna de 3D Systems para ajustar los parámetros láser con respecto a la estabilidad y al ancho de la piscina de fusión de polvo de titanio. 
• Hermeticidad. El requisito de hermeticidad guio la elección del material LaserForm^® TiGr23, una aleación de titanio de gran resistencia. El conjunto de parámetros personalizados que 3D Systems desarrolló para el proyecto también permitió cumplir este objetivo.
• Planitud. Fue necesario que la planitud tuviera una precisión de 50 micrones sobre la longitud de la pieza de 263 mm. Esto se logró a través de diversos diseños para las estrategias de fabricación aditiva que aplicaron los ingenieros de aplicaciones de 3D Systems, así como recomendaciones de estrategias de impresión, como una orientación de impresión vertical.

La optimización del diseño de las barras de enfriamiento para la producción fue fundamental para cumplir con eficacia el pedido final de más de 300 unidades de precisión. Según Pellegrino, el principal valor de la utilización de la impresión 3D para la producción fue la rentabilidad del proceso en relación con la extrema complejidad de los componentes, así como la capacidad de alcanzar las tolerancias poco habituales que eran necesarias para el éxito de la aplicación final. “Necesitábamos una manera fiable de obtener tanto la pieza como el rendimiento que buscábamos”, dice Pellegrino.

Además de contar con instalaciones certificadas por ISO 9001, ISO 13485 y AS/EN9100, 3D Systems es socio de cientos de aplicaciones críticas en industrias donde la calidad y el rendimiento son primordiales. El enfoque sistematizado de 3D Systems para la transición y el escalado desde el prototipo hasta la producción garantizó un trayecto simplificado hacia las piezas cualificadas de AM.

Se incluye una guía de fabricación:

• Estrategia de diseño. La barra de enfriamiento final se diseñó como un conjunto de componentes A y B en espejo que se sueldan para formar una pieza completa. Esto permitió a la CERN obtener las características, las dimensiones y la calidad necesarias con un mínimo de montaje.
• Orientación de impresión. Con la fabricación aditiva, la orientación de una pieza sobre la plataforma de impresión puede influir en los requisitos de compatibilidad. Según la geometría del diseño de la CERN, los ingenieros de 3D Systems recomendaron una orientación vertical para que la pieza pudiera ser lo más autosuficiente posible.
• Limpieza de piezas. La barra de enfriamiento se diseñó con canales de enfriamiento paralelos, lo que puede suponer un desafío para controlar y garantizar la eliminación completa del polvo. Desde su amplia experiencia de postprocesamiento, 3D Systems pudo asignar un protocolo de limpieza para garantizar la evacuación exhaustiva del material de las piezas.

Según las pruebas de esfuerzo, se prevé que las barras de enfriamiento durarán un mínimo de diez años. Aunque Pellegrino dice que solo el tiempo lo dirá, cree que las barras de enfriamiento serán más fiables debido al montaje limitado que permite la AM y a la capacidad de desarrollar una forma optimizada en un solo material.

Según Pellegrino, la fabricación aditiva para la resolución de problemas significó un beneficio importante para el equipo de la CERN y el éxito de este proyecto ha despertado el interés en la fabricación aditiva (AM) de colegas que no la usaron anteriormente. “La impresión 3D realmente ofrece nuevas posibilidades”, sostiene Pellegrino. “Se puede aprovechar al máximo”.

En términos de su propia experiencia trabajando con 3D Systems, Pellegrino dice que ya involucró a los expertos en aplicaciones de la empresa en proyectos nuevos.