In diesem Artikel möchten wir Sie auf eine Reise durch das CERN, die Heimat des Large Hadron Collider, einladen, wo die besten Wissenschaftler der Welt den 3D-Druck für ihre bahnbrechende Forschung nutzen.

 

Zunächst eine kurze Einführung (nur für den Fall): Das CERN (französisches Akronym für Europäische Organisation für Kernforschung) ist eine internationale Einrichtung an der französisch-schweizerischen Grenze bei Genf. Sie wurde 1954 gegründet und konzentriert sich auf das Verständnis der Wechselwirkungen der kleinsten, subatomaren Teilchen. Am bekanntesten ist sie für den Large Hadron Collider, eine massive ringförmige Anlage, die sich 100 Meter unter der Erdoberfläche befindet und sich über eine erstaunliche Länge von 27 km erstreckt. Sie dient hauptsächlich dazu, die Vorhersagen der verschiedenen Theorien der Teilchenphysik durch Teilchenkollisionen zu testen. Oh, und übrigens, man plant bereits, ein noch größeres Exemplar zu bauen…

© CERN – Large Hadron Collider

Es ist ein Ort unglaublicher Entdeckungen – mehrere Nobelpreisträger haben hier ihre Experimente gemacht, darunter die berühmte Bestätigung der Existenz des Higgs-Bosons. Aber das Fachwissen des CERN geht über die Teilchenphysik hinaus – zum Beispiel wurde hier das World Wide Web-Protokoll erfunden, das wir jeden Tag benutzen. Durch seine Spitzentechnologien, Kompetenzen und sein Know-how trägt das CERN auch zur medizinischen Innovation bei.

Der ganze Ort ist riesig und verblüffend – mehr als 12.000 Menschen arbeiten dort und in einigen Teilen der Anlage muss man buchstäblich die Landesgrenze überqueren, um zum Mittagessen zu kommen. Wir haben vier Tage dort verbracht, um mehr über die Forschung zu erfahren und darüber, wie sie die Original Prusa-Drucker einsetzen. Eigentlich könnten wir leicht ein paar Wochen dort bleiben und immer noch etwas Neues entdecken. Es war eine unglaubliche Reise, die Jo selbst beaufsichtigt hat. Wir haben sogar ein Seminar über 3D-Druck, Open-Source und Materialentwicklung veranstaltet.

Das CERN unterstützt die Open Science Bewegung. Wenn Sie also auf der Suche nach einem Abenteuer sind, können Sie es besuchen und sich selbst überzeugen. Aber mit uns bekommen Sie einen kleinen Extra-Blick hinter den Vorhang 🙂

Unbegrenzte Möglichkeiten

In dem Bestreben, die Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln, stützt sich das CERN auf eine einzigartige Palette von Spezialwerkzeugen, die oft für bestimmte wissenschaftliche Prozesse maßgeschneidert sind. Während unseres Besuchs erkundeten wir riesige Werkstätten, in denen verschiedene Materialien, von gewöhnlichen Metallen bis hin zu seltenen Elementen, sorgfältig in Form gebracht werden. Die Ingenieure setzen verschiedene Techniken ein: Von der CNC-Bearbeitung bis zum Metallguss oder dem Ätzen mit Säure, um präzise Formen zu schaffen, ohne die Festigkeit des Materials zu beeinträchtigen.

Jo war besonders erstaunt über die Kollektion großer CNC-Maschinen und 3D-Metalldrucker, die Bauteile aus Titan herstellen. Wir hatten die Gelegenheit, einen Ingenieur zu treffen, der seine Arbeit mit Leidenschaft verfolgte und uns erklärte, wie Wissenschaftler ihm ihre kreativen Ideen zur Umsetzung vorlegten.

© CERN – CMS Experiment

„Das Beste ist, wenn Wissenschaftler mich herausfordern, ihre oft verrückten Konzepte in die Realität umzusetzen. Das ist sowohl belohnend als auch eine Menge Spaß“, lächelte er, während er die CNC-Maschine programmierte, um ein großes Aluminiumrohrverbindungsstück herzustellen.

Zu diesem Zeitpunkt begannen wir, an der Notwendigkeit von 3D-Druckern zu zweifeln. Aber sie verblassten schnell, als wir Jonas Kampp trafen und in sein Labor traten.

Die kleinen, aber entscheidenden Werkzeuge

„Wir drucken sehr viel mit 3D-Druckern“, sagt Jonas, ein Mechatronik-Ingenieur am CERN. „Wir verwenden ihn nicht nur für Tests, sondern auch, um Teile herzustellen, die direkt in die Tunnel des Large Hadron Collider eingebaut werden.“

Ihre Arbeit ist entscheidend für den LHC: Da der Ring 100 Meter unter der Erde liegt und sich über 27 Kilometer erstreckt, ist es keine leichte Aufgabe, ihn für die Experimente perfekt auszurichten. Die Bewegungen der Erde können die Genauigkeit des Rings durcheinander bringen, also hilft Jonas, ihn auf Kurs zu halten.

„Wir machen Sensoren, Kontrollsysteme und Beschleuniger, um die Positionen der großen Magneten zu messen und zu justieren und sicherzustellen, dass sie perfekt ausgerichtet sind“, erklärt Jonas.

©CERN

Ein perfektes Beispiel ist diese Perle: Sie mag einfach aussehen, aber sie hat eine sehr wichtige Aufgabe. Sie trägt einen zerbrechlichen Draht, der zur Messung von Entfernungen in einem kritischen Teil des LHC verwendet wird, und sie muss dies über ganze 200 Meter auf jeder Seite der vier Experimente tun, ohne den Draht zu beschädigen. Das ist eine ziemliche Herausforderung, und Jonas brauchte viel Zeit und viele Versuche, um es genau richtig hinzubekommen. Aber dank des 3D-Drucks hat Jonas jetzt ein perfektes Werkzeug.

Viele Geräte verwenden empfindliche Glasfaserkabel. Kleine, aber clevere 3D gedruckte Gehäuse und Führungen helfen, die Drähte zu schützen. Sehen Sie sich dieses FSI Fotodetektionsmodul an:

Das 3D-gedruckte Teil führt die optischen Fasern in sauberen Windungen. Zu scharfe Biegungen würden die Glasfaser im Inneren brechen und das Signal ruinieren.

Der 3D-Druck ist für Jonas ein wichtiges Werkzeug, vor allem während der Testphase. Das Team muss sicherstellen, dass seine Werkzeuge zuverlässig funktionieren, bevor es die teureren Materialien einsetzt. Manchmal werden die gedruckten 3D-Modelle aber auch zum Endprodukt.

Dies ist ein erster gedruckter Machbarkeitstest für einen HLS-Sensor (Hydrostatic Levelling System). Jonas untersuchte die Möglichkeit, das Teil in Metall zu drucken und die Produktionskosten zu senken.

Ein weiteres Beispiel ist dieser Prototyp eines Verbindungsstücks zwischen zwei WPS-Sensoren (Wire Positioning System).

Bevor wir diesen Artikel veröffentlicht haben, hat Jonas das Design mehrmals aktualisiert…

Betreten Sie IdeaSquare!

Ein weiterer Ort, der stark auf 3D-Druck setzt, ist das IdeaSquare des CERN. Dabei handelt es sich um einen Workshop, der sich der Verbindung von Gesellschaft und Wissenschaft widmet und in dem junge Köpfe kreativ sein können, genau wie die Wissenschaftler am CERN. Dort trafen wir Dina Zimmermann, eine Strukturingenieurin aus Norwegen, die für das Prototyping zuständig ist. Sie zeigte uns, wie der 3D-Druck bei verschiedenen Experimenten einen echten Einfluss hat.

© CERN – Linear Electron Accelerator for Research (CLEAR)

Bei CERN geht es nicht nur um den Large Hadron Collider, es gibt auch andere Teilchenbeschleuniger. Einer davon, CLEAR, leistet Erstaunliches: Sie setzen einen Strahl ein, der Krebszellen anvisiert und zerstört, während gesundes Gewebe geschont wird.

Aber hier liegt die eigentliche Herausforderung: Während des gesamten Experiments müssen sie die bestrahlten Zellproben schnell ersetzen, ohne den Strahl ständig ein- und auszuschalten. Wenn Strahlung im Spiel ist, hat die Sicherheit der Menschen höchste Priorität. Um dieses Problem zu lösen, hat das CLEAR-Team einen intelligenten Roboter entwickelt, der die Proben austauschen kann, ohne den Strahl zu unterbrechen. Das spart eine Menge Zeit und hält die Experimente effizient. Und die Probenboxen werden von Dina bei IdeaSquare in 3D gedruckt.

So wechselt der Roboter die Proben

Mit dem 3D-Druck können Sie Probenhalter in allen Formen und Größen drucken.

Dies ist ein 3D-gedrucktes Modell des intelligenten Roboters CLEAR.

IdeaSquare arbeitet auch mit anderen Projekten zusammen. Eines von ihnen, VITO, nutzt die kernmagnetische Resonanz, um Metallionen und Biomoleküle zu untersuchen. Das ist knifflig, weil sie mit flüssigen Proben in einer Hochvakuumumgebung arbeiten müssen. Das Öffnen und Schließen der Geräte, um die Proben auszutauschen, kostet Zeit.

Deshalb haben die Ingenieure am CERN eine raffinierte Lösung gefunden. Sie entwarfen einen speziellen Halter für die flüssigen Proben und benutzten einen 3D-Drucker, um eine 8mm-Kapillare zu machen. So können sie die Proben schnell austauschen, ohne die Experimente zu unterbrechen.

Die Kapillare wurde mit dem Original Prusa SL1 Drucker aus Harz gedruckt.

So viel mehr am CERN

Wie Sie sehen können, ist das CERN ein Ort voller endloser Möglichkeiten. Unsere Erkundung des 3D-Drucks hier ist nur ein kleiner Einblick in das, was in dieser Einrichtung geschieht. Original Prusa 3D-Drucker sind in verschiedenen Abteilungen zu finden, von der Wartung über die IT bis hin zu den Forschungseinrichtungen.

© CERN – Computing

Beeindruckend ist, dass die Wissenschaftler und Ingenieure am CERN trotz all der fortschrittlichen wissenschaftlichen Möglichkeiten, die ihnen zur Verfügung stehen, den 3D-Druck wegen seiner Flexibilität schätzen.

„Der 3D-Druck ermöglicht es Wissenschaftlern und Ingenieuren, schnell Prototypen zu erstellen und die Grenzen des Möglichen zu erweitern“, erklärt Dina.

Jonas teilt ihre Meinung.

„Meine Arbeit könnte zwar auch ohne 3D-Druck weitergehen, aber sie wäre langsamer und viel komplexer“, fügt Jonas hinzu.

Und damit ist unser Besuch in dieser wissenschaftlichen Einrichtung von Weltrang zu Ende, aber noch nicht ganz. Wir haben ein kleines Souvenir für alle mitgebracht – ein druckbares Modell des CMS-Detektors, einer wesentlichen Komponente des Large Hadron Collider. Sie können es jetzt auf Printables.com finden. Wir hoffen, dass Ihnen dieses kleine Stück Wissenschaft als Andenken an unsere Reise gefällt. Jo hat es sofort ausgestellt…

 Jakub Kmošek, Štepán Feik und Jakub Fiedler