Conception, étude, réalisation, C.A.O et calculs de structures sont les domaines d'activités des 18 agents du service de mécanique du LAPP. La mission du service consiste à prendre en charge la réalisation d'un ensemble ou d'un sous-ensemble mécanique d'un appareillage de physique. Son organisation s'articule autour d'un bureau d'étude et d'un atelier.
Au cours des deux dernières années, les réalisations du service ont porté sur les expériences suivantes:
1) CONCEPTION DES PROJETS
Il s'agit, dans un premier temps, de concevoir à l'aide des outils informatiques la géométrie de l'appareillage, puis ensuite de proposer ou de mettre au point les matériaux qui seront utilisés. Les contraintes très spécifiques des cahiers des charges nécessitent des études approfondies.
Le plus souvent, les appareillages de quelques kilos à plusieurs tonnes s'inscrivent dans un environnement restreint. Une précision sur la réalisation des pièces pouvant aller jusqu'au micron est parfois requise. Les structures mécaniques n'ayant pas de fonction physique doivent être rigides et peu denses afin de ne pas dégrader la résolution de l'appareillage. C'est pourquoi, les matériaux composites à hautes performances mécaniques (fibre de carbone, fibre de verre...), apparaissent de plus en plus dans les structures de support. La géométrie des pièces réalisées devant être connue avec précision, leurs déformations sous chargement doivent être soigneusement calculées et contrôlées. L'uniformité et l'homogénéité des pièces construites deviennent alors des critères de qualité.
C'est le cas notamment dans la réalisation des électrodes cuivre-kapton pour ATLAS où il est nécessaire de caractériser les différents matériaux du sandwich. De même, des tests systématiques ont été effectués pour déterminer avec une grande précision les modules de Young et les coefficients de dilatation de tous les matériaux constituant l'absorbeur.
Un autre exemple est la réalisation de la géode de l'expérience de CHOOZ où les techniciens ont fait le choix d'un matériau plastique léger (ABS) pour obtenir des formes géométriques complexes (thermo-formage) sans dégrader la résolution de l'appareillage.
La réalisation de la chambre à vide centrale de Virgo, 7 tours plus les tubes de liaison est un projet complet de génie mécanique. A la conception et aux études s'ajoute la traçabilité complète de ces enceintes propres pour ultravide, de leur élaboration jusqu'à leur installation sur site. Ceci implique la rédaction, pour les parties attribuées au LAPP, de documents techniques parfaitement structurés pour les appels d'offre et le choix des sous traitants. Il est indispensable de définir le mode de fabrication, les tests et les contrôles sur des documents établis conjointement avec les entreprises.
2) ETUDE ET MISE EN OEUVRE DES MATERIAUX
Pour les expériences sur faisceau, il peut s'agir de cristaux (BGO, PbW04, CeF3,...) ou de plastiques scintillants. Les cristaux sont le plus souvent élaborés en collaboration avec d'autres laboratoires français ou étrangers. Le service possède en particulier une expertise dans la découpe de ces matériaux fragiles (meules diamantées, lubrifiants spéciaux). Il peut s'agir également de matériaux plus classiques en physique des hautes énergies comme le fer ou le plomb dans l'expérience ATLAS. Le comportement, la mise en oeuvre ou l'utilisation de ces matériaux conduisent souvent à des réalisations nouvelles (collage en sandwiches avec du pré-imprégné, pliage en forme accordéon, etc...).
Dans tous les cas, est requise une connaissance parfaite de l'environnement dans lequel va fonctionner pour plusieurs années l'appareillage (taux de radiation, vide, tension électrique, température cryogénique, propreté).
Pour le bas de tour de VIRGO, une installation de pompage
respectant les règles d'ultravide sans pollution d'hydrocarbure
a été mise en oeuvre. Un vide de líordre de 10-10
mbar a été obtenu en présence díune pression
partielle d'hydrocarbure inférieure à 10-13
mbar. Ces résultats ont permis de valider
l'ensemble du processus de fabrication des bas de tours. Les techniciens
de VIRGO étudient et définissent des scénarios de
mise en place des optiques à l'intérieur des tours dans des
conditions extrêmes de propreté. Moins d'une particule de
0,1 micron par millimètre carré à la surface des miroirs
doit être obtenue.
3) LA FORMATION ET L'ORGANISATION DANS LE SERVICE
Les groupes s'inscrivent le plus souvent dans des collaborations internationales pouvant atteindre plusieurs dizaines d'équipes. Une compétition importante et des dates de réalisation souvent contraignantes demandent rigueur et organisation.
Compte tenu de la diversité des problèmes rencontrés, une forte adaptabilité des personnes du service est indispensable. Une bonne connaissance du tissu industriel local et national est également nécessaire pour le suivi des travaux en sous-traitance. Les connaissances du personnel sont régulièrement actualisées par le suivi de stages de formation aux techniques nouvelles. Signalons enfin que le service accueille chaque année 4 à 5 stagiaires d'horizons divers (IUT, maîtrise, école d'ingénieurs).
Parallèlement à ces activités, chacun
se voit confier des tâches d'intérêt général
nécessaires au bon fonctionnement du service (gestion du matériel,
informatique, documentation technique, gestion de l'outillage, entretien
du parc machines).
4) L'EQUIPEMENT LOGICIEL ET MATEACUTERIEL
Le bureau d'étude est doté de la CAO 2D - 3D EUCLID standardisée au sein de l'ensemble des laboratoires de l'IN2P3. Dix stations de travail d'une capacité de stockage de 25 Giga octets sont affectées à l'activité conception. Cette structure permet la gestion et la réalisation d'ensembles mécaniques importants. Ces travaux peuvent être réalisés en collaboration avec d'autres laboratoires grâce à l'échange de fichiers par le réseau.
Le service possède également le code de calcul par éléments finis SYSTUS. Ce logiciel permet de réaliser des simulations sur le comportement des appareillages (thermomécanique, vibration, électromagnétique, composites), optimise les dimensions des pièces et diminue le nombre d'essais à réaliser avant de passer à la construction.
En particulier, ce logiciel a été utilisé par l'équipe de l'expérience CHOOZ pour la conception de la géode et le dimensionnement de la structure métallique limitée à 2 anneaux de 3 mètres de diamètre et de 60 mm2 de section.
Virgo a utilisé également ce logiciel pour simuler le comportement du bas de tour pendant l'opération d'étuvage à 150°C (calcul des gradients thermiques et des contraintes mécaniques).
Actuellement un calcul par super-éléments
est exploité pour déterminer le comportement sous l'effet
de la gravité et de la température (-185°) du calorimètre
électromagnétique d'ATLAS. Ce calcul a pour but de connaître
en particulier les variations des intervalles entre chaque absorbeurs.
Le logiciel sert également à déterminer la forme que
devrait avoir à température ambiante les absorbeurs pour
se déformer suivant la forme à-185°C calculée
par les physiciens.
5) LES MOYENS DE REALISATION
L'essentiel des réalisations se fait à l'extérieur. Localement ne sont élaborés que des prototypes. Le parc de machines-outils du laboratoire est très diversifié (fraiseuses, tours...), et permet la fabrication ou la mise au point de pièces en petite série. Un atelier de soudure (TIG, MIG) est également à la disposition des équipes.
Le service possède enfin une machine de mesure
tridimensionnelle pour le contrôle des pièces réalisées
dont la résolution peut atteindre 5 microns sur des déplacements
de 700 mm. Dernièrement cette machine a été utilisée
pour mesurer la géométrie déformée dans l'azote
liquide des tôles absorbeurs accordéon d'ATLAS. Son utilisation
a permis de comparer la contraction de l'absorbeur et la fermeture des
angles simulés par éléments finis.
