Dans cet article, nous aimerions vous inviter à un voyage au sein du CERN, siège du Grand collisionneur de hadrons (Large Hadron Collider – LHC), où les plus grands scientifiques du monde utilisent l’impression 3D pour faciliter leurs recherches révolutionnaires.

Tout d’abord, une petite introduction (au cas où) : le CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire aujourd’hui appelé Organisation européenne pour la recherche nucléaire), est une institution internationale basée à la frontière franco-suisse près de Genève. Il a été fondé en 1954 et se concentre sur la compréhension des interactions des plus petites particules subatomiques. Ils sont surtout connus pour le Grand collisionneur de hadrons, une installation massive en forme d’anneau située à 100 mètres sous la surface et s’étendant sur une longueur étonnante de 27 kilomètres. Il est principalement utilisé pour tester les prédictions de différentes théories de la physique des particules via des collisions de particules. Oh, et d’ailleurs, ils envisagent déjà d’en construire un encore plus grand…

© CERN – Grand collisionneur de hadrons

C’est un lieu de découvertes incroyables : plusieurs prix Nobel y ont fait leurs expériences, dont la fameuse confirmation de l’existence du boson de Higgs. Mais l’expertise du CERN va au-delà de la physique des particules : ils ont par exemple inventé le protocole World Wide Web que nous utilisons quotidiennement. Le CERN contribue également à l’innovation médicale grâce à ses technologies, compétences et savoir-faire de pointe.

L’endroit dans son ensemble est immense et ahurissant : plus de 12 000 personnes y travaillent et dans certaines parties de l’établissement, pour déjeuner, il faut littéralement traverser la frontière du pays. Nous y avons passé quatre jours, découvrant leurs recherches et comment ils utilisent en particulier les imprimantes Original Prusa. En fait, nous pourrions facilement y rester quelques semaines et découvrir encore quelque chose de nouveau. Ce fut un voyage incroyable, que Jo lui-même a supervisé. Nous avons même organisé un séminaire sur l’impression 3D, l’open source et le développement matériel.

Le CERN soutient le mouvement Open Science donc si vous recherchez une aventure, vous pouvez visiter et voir par vous-même. Mais avec nous, vous aurez un petit aperçu supplémentaire des coulisses. 🙂

Possibilités illimitées

Dans sa quête de compréhension des secrets de l’univers, le CERN s’appuie sur une gamme unique d’outils spécialisés, souvent conçus sur mesure pour des processus scientifiques particuliers. Lors de notre visite, nous avons exploré d’immenses ateliers où divers matériaux, allant des métaux communs aux éléments rares, étaient soigneusement façonnés. Les ingénieurs emploient diverses techniques : de l’usinage CNC au moulage du métal ou à la gravure à l’acide, pour créer des formes précises sans compromettre la résistance des matériaux.

Jo a été particulièrement impressionné par la collection de grandes machines CNC et d’imprimantes 3D métalliques créant des composants en titane. Nous avons eu l’occasion de rencontrer un ingénieur passionné par son travail et qui nous a expliqué comment les scientifiques lui apportaient leurs idées créatives pour les concrétiser.

© CERN – Expérience CMS

« Le mieux, c’est quand les scientifiques me mettent au défi de concrétiser leurs concepts souvent fous. C’est à la fois gratifiant et très amusant », sourit-il en programmant la machine CNC pour fabriquer un grand connecteur de tuyau en aluminium.

À ce moment, nous avons commencé à avoir des doutes sur la nécessité des imprimantes 3D. Mais ils se sont rapidement estompés lorsque nous avons rencontré Jonas Kampp et sommes entrés dans son laboratoire.

Les outils petits mais cruciaux

« Nous utilisons beaucoup l’impression 3D », explique Jonas, ingénieur en mécatronique au CERN. « Ce n’est pas seulement pour les tests, nous l’utilisons également pour créer des pièces qui vont directement dans les tunnels du Grand collisionneur de hadrons. »

Leur travail est essentiel pour le LHC : étant donné que l’anneau se trouve à 100 mètres sous terre et s’étend sur 27 kilomètres, le maintenir parfaitement aligné pour les expériences n’est pas une mince affaire. Les mouvements de la Terre peuvent perturber sa précision, alors Jonas aide à la maintenir sur la bonne voie.

« Nous fabriquons des capteurs, des systèmes de contrôle et des accélérateurs pour mesurer et ajuster les positions des gros aimants, pour nous assurer qu’ils sont parfaitement alignés, explique Jonas.

Un exemple parfait est cette perle : elle peut paraître simple, mais elle a un rôle extrêmement important. Elle transporte un fil fragile utilisé pour mesurer les distances dans une partie critique du LHC, et elle doit le faire sur 200 mètres de chaque côté des quatre expériences sans endommager le fil. C’est tout un défi, et il a fallu beaucoup de temps à Jonas pour essayer de bien faire les choses. Mais grâce à l’impression 3D, Jonas dispose désormais d’un outil parfait.

De nombreux équipements utilisent des fibres optiques fragiles. Des boîtiers et des guides imprimés en 3D, petits mais astucieux, aident à protéger les fils. Regardez ce module de photodétection FSI :

La pièce imprimée en 3D guide les fibres optiques en bobines soignées. Des courbures trop prononcées fissureraient la fibre de verre à l’intérieur et ruineraient le signal.

L’impression 3D est un outil important pour Jonas, notamment pendant la phase de test. L’équipe doit s’assurer que ses outils fonctionnent de manière fiable avant d’utiliser des matériaux plus coûteux. Cependant, parfois, les modèles imprimés en 3D finissent même par devenir le produit final.

Il s’agit d’un premier test de faisabilité pour un capteur HLS (Hydrostatic Leveling System – Système de nivellement hydrostatique). Jonas explorait la possibilité de pouvoir imprimer la pièce en 3D en métal et de réduire les coûts de production.

Un autre exemple est ce prototype de connecteur entre deux capteurs WPS (Wire Positioning System – Système de positionnement de fil).

Avant de publier cet article, Jonas a mis à jour le design à plusieurs reprises…

Entrez dans l’IdeaSquare !

Un autre endroit qui s’appuie fortement sur l’impression 3D est l’IdeaSquare du CERN. Il s’agit d’un atelier dédié à connecter la société avec la science, et c’est là que les jeunes esprits peuvent faire preuve de créativité, tout comme les scientifiques du CERN. Nous y avons rencontré Dina Zimmermann, une ingénieure en structures norvégienne responsable du prototypage. Elle nous a montré comment l’impression 3D a un réel impact dans différentes expériences.

© CERN – Accélérateur linéaire d’électrons pour la recherche (CLEAR)

Le CERN ne se limite pas au Grand collisionneur de hadrons ; ils ont également d’autres accélérateurs de particules. Un, appelé le CLEAR, fait quelque chose d’incroyable : ils utilisent un faisceau de rayonnement pour cibler et détruire les cellules cancéreuses tout en épargnant les tissus sains.

Mais voici le véritable défi : tout au long de l’expérience, ils doivent remplacer rapidement les échantillons de cellules irradiés sans allumer et éteindre constamment le faisceau. Avec les radiations dans le mélange, la sécurité humaine est une priorité absolue. Pour résoudre ce problème, l’équipe du CLEAR a créé un robot intelligent qui peut changer les échantillons sans arrêter le faisceau. Cela permet de gagner beaucoup de temps et de maintenir l’efficacité des expériences. Et les boîtes d’échantillons sont imprimées en 3D par Dina à l’IdeaSquare.

C’est ainsi que le robot change les échantillons

Avec l’impression 3D, vous pouvez fabriquer des porte-échantillons de toutes formes et tailles.

Il s’agit d’un modèle imprimé en 3D du robot intelligent du CLEAR.

L’IdeaSquare s’associe également à d’autres projets. L’un d’eux, VITO, utilise la résonance magnétique nucléaire pour étudier les ions métalliques et les biomolécules. C’est délicat car ils doivent travailler avec des échantillons liquides dans un environnement sous vide poussé. L’ouverture et la fermeture de l’équipement pour échanger des échantillons prennent du temps.

Les ingénieurs du CERN ont donc trouvé une solution astucieuse. Ils ont conçu un support spécial pour les échantillons liquides et ont utilisé une imprimante 3D pour fabriquer un capillaire de 8 mm. Cela leur permet de changer d’échantillon rapidement sans arrêter les expériences.

Le capillaire est imprimé en résine sur l’imprimante Original Prusa SL1.

Bien plus encore au CERN

Comme vous pouvez le constater, le CERN est un lieu rempli de possibilités infinies. Notre exploration de l’impression 3D n’est ici qu’un aperçu de ce qui se passe dans cette institution. Les imprimantes 3D Original Prusa sont présentes dans différents départements, de la maintenance et l’informatique aux installations de recherche.

© CERN – Informatique

Ce qui est impressionnant, c’est que, malgré toutes les capacités scientifiques avancées dont ils disposent, les scientifiques et les ingénieurs du CERN apprécient l’impression 3D pour sa flexibilité.

« L’impression 3D permet aux scientifiques et aux ingénieurs de créer rapidement des prototypes et de repousser les limites du possible », explique Dina.

Jonas partage son opinion.

« Même si mon travail pourrait se faire sans l’impression 3D, il serait plus lent et bien plus complexe », ajoute Jonas.

Et avec cela, notre visite dans cette installation scientifique de classe mondiale touche à sa fin, mais pas tout à fait. Nous avons ramené un petit souvenir pour tout le monde – un modèle imprimable du détecteur CMS, un composant essentiel du Grand collisionneur de hadrons. Vous pouvez le trouver maintenant sur Printables.com. Nous espérons que vous apprécierez ce petit morceau de science en guise de témoignage de notre voyage. Jo a immédiatement exposé le sien…

Jakub Kmošek, Štepán Feik et Jakub Fiedler