Cela fait maintenant quatre ans que le groupe Ingénierie mécanique et des matériaux du département Ingénierie (EN-MME) utilise une machine de fabrication additive métallique (procédé connu aussi sous le nom d’« impression 3D ») pour produire des pièces aux géométries complexes.
L’intérêt de la fabrication additive est de pouvoir créer des composants légers et monobloc intégrant de multiples fonctions. Ce procédé rencontre un succès indéniable dans les domaines de l’aérospatial et du médical, où son utilisation explose. Jusqu’à présent, il a en revanche été peu utilisé dans le domaine des accélérateurs de particules, aux besoins très particuliers. Pour l’ultravide, la cryogénie et les cavités radiofréquence notamment, le CERN produit et caractérise des composants répondant à des exigences très spécifiques, pouvant nécessiter l’emploi de matériaux rares comme le niobium.
La technique de fabrication additive retenue par le CERN est la fusion sélective par laser : une poudre métallique est fondue de façon successive, couche par couche, à l’aide d’un faisceau laser. La trajectoire du laser est définie par un modèle tridimensionnel. En enchaînant les étapes de dépôt de poudre métallique et de fusion jusqu’à plusieurs milliers de fois, un objet va prendre forme.
Grâce à ce procédé, tout utilisateur peut à présent imaginer et concevoir des pièces jusqu’alors difficiles, voire impossibles, à fabriquer. En effet, la fusion sélective par laser permet de réaliser des pièces robustes aux formes complexes et intégrant, par exemple, des canaux de refroidissement (comme illustré ci-dessous dans le cas de la charge spirale radiofréquence pour CLIC). Il est également possible de fabriquer des pièces avec un minimum de matière tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques. C’est le cas des fourches des scanners de faisceau à fil, qui doivent être à la fois légères et rigides.
Si cette technologie est bien maîtrisée pour des matériaux courants, tels que les alliages d’aluminium, de titane, ou les aciers inoxydables, la fabrication additive de matériaux rares comme le niobium, élément supraconducteur omniprésent dans les cavités radiofréquence des accélérateurs du CERN, a en revanche été peu explorée. Un programme de développement est en cours depuis quelques années, avec des résultats prometteurs : de premiers composants, tels que les coupleurs HOM, ont ainsi pu être fabriqués à l’aide de cette technique. Cependant des défis restent à relever, liés notamment à la pureté des matériaux, à la rugosité des surfaces et à la haute précision dimensionnelle que ces pièces doivent atteindre.
Outre un équipement pour la fabrication additive de pièces métalliques, le CERN possède également une imprimante pour plastiques. Celle-ci, exploitée par le groupe Aimants, supraconducteurs et cryostats du département Technologie (TE-MSC), produit des pièces en résines plastiques (notamment l’époxy) par stéréolithographie, une technique consistant à faire durcir de la résine époxy liquide grâce à un laser. Parmi les applications de cette technique, on trouve des pièces résistantes aux radiations et d’isolation électrique haute tension pour les détecteurs, mais aussi beaucoup de moules et de prototypes.
La fabrication additive va poursuivre son développement dans le monde des accélérateurs. En élargissant la palette des possibilités offertes par les technologies conventionnelles, ce nouvel outil devrait contribuer à relever les nombreux défis techniques posés par les projets d’avenir, tels que le Futur Collisionneur Circulaire (FCC).
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Pour plus d’informations sur la fabrication additive métallique, adressez-vous à Gilles Favre. Pour tout ce qui concerne les pièces en résine plastique, écrivez à Sébastien Clément.