Mécanique

Le Service d’Etudes et de Réalisations Mécaniques conçoit et réalise des ensembles mécaniques pour les instruments de physique. Il travaille en collaboration avec les autres services techniques et groupes de recherches de l’IP2I, ainsi qu’au sein de collaborations et projets nationaux ou internationaux.

Regroupant un bureau d’études et des ateliers de fabrication (mécanique et chaudronnerie) travaillant en interaction constante, le service mécanique est à même de mener à bien des projets depuis les phases d’études (R&T, dimensionnement, …) jusqu’au produit fini (fabrication, suivi de sous-traitance, assemblage et intégration), en incluant les phases de tests et essais, ainsi que le montage sur site si nécessaire (CERN, GANIL…).

– – PROJETS EN COURS – –

CMS TEDD

** en construction **

RICOCHET

** en construction **

MUOGRAPHIE

** en construction **

– – PROJETS ACHEVÉS – –

Alice MFT

Responsabilités sur de nombreux développements techniques et sur l’intégration du détecteur dans Alice :
– Etudes thermiques du refroidissement des capteurs silicium.
– Conception des outils d’assemblage des silicium.
– Design de la structure du détecteur et des outillages d’insertion.
– Intégration du détecteur et des services associés.

L’expérience ALICE située auprès du grand accélérateur LHC du CERN à Genève, en recréant des conditions proches du BigBang, permet d’étudier les propriétés de la matière de l’Univers primordial.

Le détecteur MFT, destiné à mesurer les trajectoires des particules chargées dans l’expérience ALICE, est constitué de près de 1000 capteurs en Silicium (soit 500 millions de pixels à 1 MHz). Leur mise en place et la stabilité de leur positionnement en fonctionnement doit être connue avec une précision inférieure à 10µm.

Le service mécanique de l’IP2I a eu la co-responsabilité du WorkGroup ‘Mechanics, Cooling & Integration’ puis la responsabilité du WorkPackage ‘Barrel & Integration’ pour le détecteur MFT.

Pour cela ont été réalisés

• Les calculs et simulations numériques du détecteur, à la fois thermique afin de garantir l’efficacité du refroidissement et mécanique pour valider la structure utilisée. Cela a notamment permis d’optimiser la définition de toutes les pièces en composite carbone (fibres, plis, orientation…)
• La conception de tous les éléments de support mécanique du détecteur, garantissant positionnement et stabilité du MFT, ainsi que du détecteur FIT. En particulier le Barrel, l’élément principal de supportage et de stabilité, pièce de plus de 3 mètres de long entièrement composée de sandwich de fibres de carbone
• Les études et simulations vibratoires et dynamiques de l’ensemble de détecteur et de sa structure, afin d’anticiper les exigences de transport du détecteur et de prendre en compte l’environnement de fonctionnement du détecteur dans la caverne du LHC.
• La définition des processus d’intégration et d’insertion du détecteur au sein de l’expérience Alice.

Le service mécanique a aussi été fortement impliqué au niveau de l’assemblage des capteurs Silicium utilisés :

• Définition et conception des outillages de bounding des sensor Si
• Définition et conception des outillages de collage des sensors sur les PCB Flex et automatisation du processus grâce à l’utilisation de la MAM ‘Module Assembly Machine’

Le service mécanique de l’IP2I a aussi pris une part importante dans la production des capteurs du MFT, les ‘échelles’, en fournissant une équipe de production de 2 techniciens une semaine par mois pendant deux ans. Cette équipe a permis la mise en place d’une cadence de production plus élevée et a ainsi réalisé la plus grande partie des assemblages de capteurs pour le détecteur MFT.

Enfin, de part sa responsabilité du WP ‘Barrel&Integration’, le service mécanique de l’IP2I a participé activement à l’intégration du détecteur au CERN (montage du détecteur sur les supports Barrel, installation des services, alignement), ainsi qu’à son installation au sein de l’expérience Alice (descente en caverne, insertion).

Le détecteur est aujourd’hui installé et pleinement opérationnel, et produit de riches données expérimentales en cours d’analyse.

Spiral 2

Etudes et développement d’équipements de diagnostic faisceau et d’un Arrêt Faisceau haute énergie / Fabrication, installation et tests.

Le service d’études et réalisations mécaniques de l’IP2I a été impliqué dans le projet SPIRAL2, basé au GANIL. L’objectif de SPIRAL2 est de produire des faisceaux stables très intenses, des faisceaux intenses de noyaux radioactifs et fournir un flux élevé de neutrons.

Le service a eu la responsabilité du développement de plusieurs éléments de diagnostic et de sécurité sur les lignes de l’accélérateur :

• La conception des Coupelles de Faraday, permettant la mesure de l’intensité du faisceau sur les lignes basses et moyenne énergie, a nécessité un nouveau design mécanique performant, ainsi que des simulations numériques mécaniques et thermiques afin de garantir leur fonctionnement sous faisceau.
• L’Arrêt Faisceau, élément fondamental de sûreté et de réglage, et la fin de Ligne Haute Energie, a exigé la conception de nombreux systèmes de mesure et de sécurité (Collimateur Segmenté, Shutter Plomb, Bouclier de Marbre) ainsi que le développement d’un dispositif innovant et performant SAFARI (Système d’Arrêt Faisceau Adapté aux Rayons Intenses) spécifiquement conçu pour les faisceaux

Les fortes puissances déposées, 200 kW sur quelques cm², ainsi que l’activation importante des éléments impliquent des matériaux spécifiques, une géométrie adaptée et des circuits de refroidissement spécialement développés par double canaux à contre-courant. Des calculs et simulations numériques, associant fluide, thermique et mécanique ont permis d’optimiser au mieux la forme interne de l’objet et des canaux de refroidissement, mais aussi les débits et les conditions de fonctionnement.

L’implication du service mécanique s’est étendu également jusqu’au montage et à l’intégration du système sur la ligne puis aux tests avec les équipes du GANIL.

Bureau d’études

Le Bureau d’études a la responsabilité de la gestion et du suivi des projets qu’il développe. Il s’occupe de la conception d’ensembles mécaniques et de leur implantation sur site.

Il possède une expertise reconnue en calculs et simulations numériques par éléments finis, notamment pour le dimensionnement mécanique en statique, dynamique ou vibratoire, pour les études thermomécaniques, ainsi que pour les écoulements de fluides et les échanges thermiques fluide/structure.

Moyens techniques :

• Modélisation CAO sur Catia V5 / Catia V6
• Travail collaboratif et SGDT sur 3DExperience
• Simulations EF multiphysique sur Ansys WB / FLUENT

Ateliers de Réalisations Mécaniques

Les ateliers réalisent  la fabrication de pièces et prototypes, ainsi que leur assemblage. Ils s’occupent du montage des instruments localement ou sur site. Ils assurent la recherche de nouveaux fournisseurs ainsi que le recours à la sous-traitance et son suivi.

Atelier d’usinage comprenant :

• Machines conventionnelles (tours, fraiseuses)
• Tour numérique
• Mini-fraiseuse 2.5 axes piloté par ordinateur
• Imprimantes 3D (SLA, FFF, FDM)
• 3 Centres à commande numérique 3 axes (course > 1m)

Atelier de la chaudronnerie réalisant :

• Menuiserie en profilés aluminium
• Pliage / Découpage
• Brasage et Soudage divers dont TIG (UHV)

Compétences complémentaires

Au-delà de la réalisation d’ensembles mécaniques, le Service Mécanique accompagne ses projets jusqu’aux phases de contrôle et tests grâce à de nombreux équipements et compétences associées :

• Bras de mesure métrologique et Scan 3D (Ø2m & 4m)
• Nettoyage Ultrasons & Banc de test pour étanchéité Vide et UltraVide
• Instrumentation pour mesures thermiques/fluides & commande moteur
• Technologie des fibres (polissage / collage / connexion)