In questo articolo vi invitiamo a fare un viaggio nel CERN, sede del Large Hadron Collider, dove i migliori scienziati del mondo utilizzano la stampa 3D per le loro ricerche rivoluzionarie.

Innanzitutto, una rapida introduzione ( non si sa mai): il CERN (acronimo francese di Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) è un’istituzione internazionale con sede al confine tra Francia e Svizzera, vicino a Ginevra. È stato fondato nel 1954 e si occupa di comprendere le interazioni delle più piccole particelle subatomiche. La loro fama è dovuta soprattutto al Large Hadron Collider, un’enorme struttura a forma di anello che si trova a 100 metri sotto la superficie e si estende per ben 27 chilometri. Viene utilizzato principalmente per testare le previsioni di diverse teorie della fisica delle particelle attraverso le collisioni di particelle. A proposito, stanno già progettando di costruirne uno ancora più grande…

© CERN – Large Hadron Collider

È un luogo di scoperte incredibili: diversi premi Nobel hanno fatto qui i loro esperimenti, tra cui la famosa conferma dell’esistenza del bosone di Higgs. Ma le competenze del CERN vanno oltre la fisica delle particelle: per esempio, qui è stato inventato il protocollo World Wide Web che usiamo tutti i giorni. Il CERN contribuisce anche all’innovazione medica grazie alle sue tecnologie, competenze e know-how all’avanguardia.

L’intera struttura è enorme e sbalorditiva: vi lavorano più di 12.000 persone e in alcune parti della struttura, per andare a pranzo, bisogna letteralmente attraversare il confine del Paese. Abbiamo trascorso quattro giorni lì, imparando a conoscere la loro ricerca e come utilizzano in particolare le stampanti Original Prusa. In realtà, potremmo tranquillamente rimanere lì per qualche settimana e scoprire sempre qualcosa di nuovo. È stata un’esperienza incredibile, seguita da Jo in persona. Abbiamo anche tenuto un seminario sulla stampa 3D, open-source e sviluppo dei materiali.

Il CERN supporta il movimento Open Science, quindi se siete alla ricerca di un’avventura, potete tranquillamente visitarla e scoprirla da soli. Ma con noi, potrete dare una sbirciatina in più dietro le quinte. 🙂

Possibilità illimitate

Nel tentativo di comprendere i segreti dell’universo, il CERN si affida a una serie unica di strumenti specializzati, spesso realizzati su misura per particolari processi scientifici. Durante la nostra visita, abbiamo esplorato enormi laboratori dove vari materiali, dai metalli comuni agli elementi rari, sono stati modellati in modo accurato. Gli ingegneri impiegano diverse tecniche: Dalla lavorazione CNC alla fusione di metalli o all’incisione con acido, per creare forme precise senza compromettere la resistenza del materiale.

Jo è rimasto particolarmente stupito dalla dotazione di grandi macchine CNC e stampanti 3D in metallo che realizzano componenti in titanio. Abbiamo avuto l’opportunità di incontrare un ingegnere, innamorato del suo lavoro, che ci ha spiegato come gli scienziati gli portino le loro idee creative per farle realizzare.

© CERN – CMS experiment

“La parte migliore è quando gli scienziati mi sfidano a trasformare in realtà i loro concetti, spesso folli. È gratificante e molto divertente”, ha detto sorridendo mentre programmava la macchina CNC per realizzare un grande tubo di alluminio.

A quel punto, abbiamo iniziato a nutrire dei dubbi sulla necessità delle stampanti 3D. Ma i dubbi sono subito svaniti quando abbiamo incontrato Jonas Kampp e siamo entrati nel suo laboratorio.

Gli strumenti piccoli ma cruciali

“Usiamo molto la stampa 3D”, dice Jonas, ingegnere meccatronico del CERN. “Non è solo per i test, la usiamo anche per creare parti che vanno direttamente nei tunnel del Large Hadron Collider”.

Il loro lavoro è fondamentale per l’LHC: poiché l’anello si trova a 100 metri di profondità e si estende per 27 chilometri, mantenerlo perfettamente allineato per gli esperimenti non è un compito da poco. I movimenti della Terra possono comprometterne la precisione, quindi Jonas contribuisce a mantenerlo in linea.

“Realizziamo sensori, sistemi di controllo e acceleratori per misurare e regolare le posizioni dei grandi magneti, assicurandoci che siano perfettamente allineati”, spiega Jonas.

Un esempio perfetto è questa perlina: Può sembrare semplice, ma ha un compito importantissimo. Trasporta un fragile filo utilizzato per misurare le distanze in una parte critica dell’LHC, e deve farlo per 200 metri su ciascun lato dei quattro esperimenti senza danneggiare il filo. È una bella sfida e Jonas ha impiegato molto tempo e molti tentativi per riuscirci. Ma grazie alla stampa 3D, Jonas ha ora uno strumento perfetto.

Molte apparecchiature utilizzano fragili fibre ottiche. Un piccolo ma intelligente involucro e guide stampate in 3D aiutano a proteggere i cavi. Guardate questo modulo di fotorilevamento FSI:

La parte stampata in 3D guida le fibre ottiche in bobine ordinate. Curve troppo strette incrinerebbero la fibra di vetro all’interno e rovinerebbero il segnale.

La stampa 3D è uno strumento importante per Jonas, soprattutto durante le fasi di test. Il team deve assicurarsi che gli strumenti funzionino in modo affidabile prima di utilizzare materiali più costosi. Tuttavia, a volte i modelli stampati in 3D finiscono per diventare il prodotto finale vero e proprio.

Si tratta di una prima stampa di prova di fattibilità per un sensore HLS (Hydrostatic Levelling System). Jonas stava esplorando la possibilità di stampare in 3D il pezzo in metallo e ridurre i costi di produzione.

Un altro esempio è questo prototipo di connettore tra due sensori WPS (Wire Positioning System).

Prima che pubblicassimo questo articolo, Jonas ha aggiornato il design più volte…

Entrate in IdeaSquare!

Un altro luogo che si affida molto alla stampa 3D è IdeaSquare del CERN. È un laboratorio impegnato a mettere in contatto la collettività con la scienza, dove le giovani menti hanno la possibilità di esprimere la propria creatività, proprio come gli scienziati del CERN. Abbiamo incontrato Dina Zimmermann, un ingegnere strutturale norvegese responsabile della prototipazione. Ci ha mostrato come la stampa 3D abbia un impatto reale in diversi esperimenti.

© CERN – Linear Electron Accelerator for Research (CLEAR)

Il CERN non è solo il Large Hadron Collider, ma ha anche altri acceleratori di particelle. Uno, chiamato CLEAR, sta realizzando qualcosa di sorprendente: Utilizzano un fascio di radiazioni per colpire e distruggere le cellule tumorali, risparmiando i tessuti sani.

Ma ecco la vera sfida: per tutta la durata dell’esperimento, è necessario sostituire rapidamente i campioni di cellule irradiate senza accendere e spegnere continuamente il fascio. Con le radiazioni in gioco, la sicurezza degli operatori è una priorità assoluta. Per risolvere questo problema, il team del CLEAR ha realizzato uno smart robot che può sostituire i campioni senza fermare il raggio. In questo modo si risparmia molto tempo e si mantiene l’efficienza degli esperimenti. Inoltre, i contenitori dei campioni sono stampati in 3D da Dina di IdeaSquare.

This is how the robot switches the samples

With 3D printing, you can make sample holders of all shapes and sizes.

Questo è un modello stampato in 3D del robot intelligente del CLEAR.

IdeaSquare collabora anche con altri progetti. Uno di questi, VITO, utilizza la risonanza magnetica nucleare per studiare ioni metallici e biomolecole. È un’operazione difficile perché è necessario lavorare con campioni liquidi in un ambiente ad alto vuoto. Aprire e chiudere l’apparecchiatura per scambiare i campioni richiede tempo.

Quindi, gli ingegneri del CERN hanno escogitato una soluzione ingegnosa. Hanno progettato un supporto speciale per i campioni liquidi e hanno utilizzato una stampante 3D per realizzare un capillare di 8 mm. Questo permette di cambiare rapidamente i campioni senza interrompere gli esperimenti.

Il capillare è stampato in resina su una stampante Original Prusa SL1.

Molto altro ancora al CERN

Come potete vedere, il CERN è un luogo pieno di possibilità infinite. La nostra esplorazione della stampa 3D è solo un assaggio di ciò che accade in questa istituzione. Le stampanti 3D Original Prusa sono presenti in diversi dipartimenti, dalla manutenzione all’IT, fino alle strutture di ricerca.

© CERN – Computing

L’aspetto impressionante è che, nonostante tutte le capacità scientifiche avanzate a loro disposizione, gli scienziati e gli ingegneri del CERN apprezzano la stampa 3D per la sua flessibilità.

“La stampa 3D consente a scienziati e ingegneri di creare rapidamente prototipi e di spingersi oltre i confini del possibile”, afferma Dina.

Jonas è dello stesso parere.

“Anche se il mio lavoro potrebbe continuare senza la stampa 3D, sarebbe più lento e molto più complesso”, aggiunge.

E con questo il nostro viaggio in questa struttura scientifica di livello mondiale si conclude, ma non del tutto. Abbiamo portato un piccolo souvenir per tutti – un modello stampabile del rivelatore CMS, un componente essenziale del Large Hadron Collider. Lo trovate ora su Printables.com. Ci auguriamo che questo piccolo pezzo di scienza sia un segno del nostro viaggio. Jo ha subito esposto il suo…

;Jakub Kmošek, Štepán Feik and Jakub Fiedler