CERN LHCb avança nos recursos de detecção de partículas com o sistema de resfriamento impresso em 3D

A cem metros abaixo das montanhas da Suíça e da França fica o Grande Colisor de Hádrons (LHC), o maior e mais poderoso acelerador de partículas criado no mundo. Essa impressionante construção é utilizada pela Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN) com o objetivo de realizar pesquisas de alta energia física com quatro experimentos fundamentais.

Com uma extensão de 27 quilômetros para permitir que a aceleração de partículas ganhe velocidade, as reações observáveis ocorrem em quatro pontos de cruzamento de feixes, instrumentados com grandes detectores de partículas. Dentro do volume de detecção do LHCb Experimente, uma faixa de detector de fótons longa e extremamente estreita deve ser resfriada para -40˚C, a fim de preservar a reação para o estudo. Essa faixa tem aproximadamente 140 metros de comprimento, menos de dois milímetros de largura, e está ligada a barras de resfriamento de titânio impressas em 3D que executam 100% da operação de resfriamento.

Essas barras de resfriamento são o resultado de uma colaboração entre o Nikhef, o Instituto Nacional Holandês de Física Subatômica e o Centro de Inovação de Aplicações da 3D Systems e foram produzidas usando a tecnologia de impressão direta de metal (DMP) da 3D Systems. Por sua contribuição com a atualização bem-sucedida do experimento, a 3D Systems foi homenageada com o LHCb Industry Award de 2019.

As colisões de partículas no LHC acontecem dentro dos detectores, sistemas extremamente sofisticados que permitem coletar informações sobre propriedades fundamentais das partículas. Os detectores modernos incluem camadas de subdetectores, entre os quais estão os dispositivos de rastreamento, como o rastreador LHCb SciFi (abreviação de fibras cintilantes), que revelam o caminho de uma partícula. Por meio de outros sistemas de subdetectores, também é possível medir a energia e a radiação de uma partícula.

Antonio Pellegrino trabalha no Nikhef e é líder no projeto do rastreador SciFi na CERN com o experimento Large Hadron Collider beauty (LHCb). Ele explica que a complexidade do sistema de resfriamento foi o resultado de vários fatores inevitáveis: o espaço extremamente limitado em que as barras de resfriamento precisam caber, o calor que precisa ser dissipado dentro desse curto espaço, a uniformidade de temperatura necessária ao longo do comprimento de toda faixa de detecção de fótons e o nivelamento das barras de resfriamento necessário para preservar a eficiência e a resolução do detector. “A consequência disso é que você precisa ser muito eficiente na forma como constrói o resfriamento”, afirma.

Rob Walet, engenheiro de projetos do Nikhef, começou a desenvolver a barra de resfriamento projetando uma peça que atendia perfeitamente aos requisitos de desempenho. "Esse design era muito bonito, mas não era possível produzi-lo da maneira usual", diz Pellegrino. Uma questão importante que complicou a capacidade de fabricação por meios convencionais foi a finura que a parede deveria ter. Para obter a máxima eficácia, era importante ter o mínimo de material entre o líquido refrigerante e a superfície a ser resfriada. Devido ao comprimento da peça (263 mm), essa finura não poderia ser usinada.

Após a experimentação inicial com prototipagem manual, a CERN rapidamente determinou que uma abordagem manual para a produção não era prática. Ela não só era trabalhosa, mas também difícil de fazer de forma reprodutível. Ciente disso, a equipe começou a pesquisar outras opções e explorar recursos de impressão 3D em metal.

Embora a CERN tenha otimizado o design da barra de resfriamento para a função final, ele ainda não havia sido otimizado para a fabricação de aditivo (AM). Estar ciente dessa deficiência auxiliou a decisão da CERN com relação ao parceiro de fabricação. "Dentre algumas empresas possíveis, escolhemos a 3D Systems, pois entendemos que os engenheiros de lá eram capazes de realmente transformar nosso design em algo que poderia ser produzido", explica Pellegrino.

A CERN aproveitou a experiência em engenharia de aplicações no Centro de Inovação do Cliente (CIC) da 3D Systems, em Leuven, Bélgica, com o objetivo de acelerar seu caminho para o futuro com a fabricação de aditivo. Os CICs da 3D Systems são instalações globais equipadas com a experiência e a tecnologia para apoiar aplicações de fabricação de aditivo nos mercados de saúde, transporte, alta tecnologia, esportes motorizados e aeroespacial. Os CICs da 3D Systems podem aconselhar e auxiliar em projetos em qualquer estágio, desde o desenvolvimento de aplicações e engenharia de front-end até a validação de equipamentos e processos, qualificação de peças e produção.

Como fabricante e usuária de soluções de fabricação de aditivo, a 3D Systems possui um ciclo de feedback exclusivo entre engenheiros de aplicação e grupos de engenharia de máquinas. Essa comunicação aberta alimenta o refinamento constante de software, hardware, materiais e processos de impressão da 3D Systems, visando proporcionar equipamentos e resultados melhores.

Por meio de um processo iterativo e colaborativo de design, impressão e teste, as equipes de engenharia da CERN e da 3D Systems trabalharam em conjunto para modificar o design da barra de resfriamento com o objetivo de atender aos requisitos de fabricação e à função final.

Os requisitos de desempenho incluíam:

• Espessura da parede. Uma especificação principal da peça era uma espessura de 0,25 mm da parede. Isso foi obtido pela alta precisão dimensional das máquinas DMP da 3D Systems, bem como pela experiência interna da 3D Systems em ajustar os parâmetros do laser com relação à estabilidade e à largura do grupo de fusão do pó de titânio. 
• Estanqueidade. O requisito de estanqueidade orientou a escolha do material da LaserForm^® TiGr23, uma liga de titânio de alta resistência. O conjunto de parâmetros personalizados que a 3D Systems desenvolveu para o projeto também permitiu alcançar esse objetivo.
• Planeza. Era necessário que a planeza tivesse uma precisão de 50 mícrons com relação ao comprimento de 263 mm da peça. Isso foi obtido por meio de vários designs de estratégias de fabricação de aditivo utilizadas pelos engenheiros de aplicação da 3D Systems, bem como o desenvolvimento de recomendações de estratégia como uma orientação de impressão vertical.

A otimização do design da barra de resfriamento para a produção era fundamental para alcançar de forma efetiva o pedido final de mais de 300 unidades de precisão. De acordo com Pellegrino, a principal vantagem de usar a impressão 3D para produção foi a relação custo-eficiência do processo em relação à extrema complexidade dos componentes, bem como a capacidade de alcançar as tolerâncias incomuns que eram necessárias para o sucesso da aplicação final. “Precisávamos de uma maneira confiável de obter a peça e o desempenho que estávamos buscando”, afirma Pellegrino.

Além de ter instalações certificadas pela ISO 9001, ISO 13485 e AS/EN 9100, a 3D Systems é parceira de centenas de aplicações críticas em diversos setores em que a qualidade e o desempenho são primordiais. A abordagem sistematizada da 3D Systems com relação à transição e ao dimensionamento da prototipagem para a produção garantiu um caminho simplificado para as peças de AM qualificadas.

A orientação de fabricação incluía:

• Estratégia de design. A barra de resfriamento final foi projetada como um conjunto de componentes A e B espelhados que foram soldados juntos para formar uma peça completa. Isso permitiu que a CERN obtivesse os recursos, as dimensões e a qualidade necessários com o mínimo de montagem.
• Orientação da impressão. Com a fabricação de aditivo, a orientação de uma peça na plataforma de construção pode afetar os requisitos de suporte. Com base na geometria do design da CERN, os engenheiros da 3D Systems recomendaram uma orientação vertical para que a peça pudesse ser o mais autossuficiente possível.
• Limpeza de peças. A barra de resfriamento foi projetada com canais de resfriamento paralelos, o que pode representar um desafio para o controle e a garantia da remoção completa do pó. Por conta de sua extensa experiência em pós-processamento, a 3D Systems foi capaz de atribuir um protocolo de limpeza visando garantir a evacuação completa de material das peças.

Com base em testes de estresse, a previsão é de que as barras de resfriamento durem no mínimo dez anos. Embora Pellegrino afirme que apenas o tempo dirá, ele acredita que as barras de resfriamento serão mais confiáveis devido à montagem limitada permitida pela AM e à capacidade de criar uma forma otimizada em um único material.

De acordo com Pellegrino, a fabricação de aditivo para a resolução de problemas levada a cabo foi um grande benefício para a equipe da CERN, e o sucesso desse projeto despertou o interesse por AM em colegas que nunca a haviam utilizado. ”A impressão 3D realmente traz novas possibilidades”, diz Pellegrino. “Você pode mesmo explorá-las.”

Com relação à sua própria experiência trabalhando com a 3D Systems, Pellegrino diz que já incluiu os especialistas em aplicações da empresa em novos projetos.