Depuis le XXe siècle, l'humanité est fascinée par l'exploration spatiale et la compréhension de ce qui se trouve au-delà de la Terre. Des organisations majeures telles que la NASA et l'ESA sont à la pointe de l'exploration spatiale, et l'impression 3D joue un rôle essentiel dans cette conquête. Grâce à sa capacité à produire rapidement des pièces complexes à faible coût, cette technologie de conception gagne en popularité auprès des entreprises. Elle rend possible la création de nombreuses applications, comme les satellites, les combinaisons spatiales et les composants de fusées. De fait, selon SmarTech, la valeur du marché de la fabrication additive dans le secteur spatial privé devrait atteindre 2,1 milliards d'euros d'ici 2026. Dès lors, une question se pose : comment l'impression 3D peut-elle contribuer à l'excellence humaine dans l'espace ?
Initialement, l'impression 3D était principalement utilisée pour le prototypage rapide dans les secteurs médical, automobile et aérospatial. Cependant, avec la démocratisation de cette technologie, son utilisation s'étend de plus en plus à la fabrication de composants finaux. La fabrication additive métallique, et notamment la fusion sur lit de poudre laser (L-PBF), a permis la production de divers métaux aux caractéristiques et à la durabilité adaptées aux conditions spatiales extrêmes. D'autres technologies d'impression 3D, telles que le dépôt direct d'électrons (DED), le jet de liant et l'extrusion, sont également utilisées dans la fabrication de composants aérospatiaux. Ces dernières années, de nouveaux modèles économiques ont émergé, avec des entreprises comme Made in Space et Relativity Space qui utilisent l'impression 3D pour concevoir des composants aérospatiaux.
Relativity Space développe une imprimante 3D pour l'industrie aérospatiale
Technologie d'impression 3D dans l'aérospatiale
Maintenant que nous les avons présentées, examinons de plus près les différentes technologies d'impression 3D utilisées dans l'industrie aérospatiale. Il convient tout d'abord de noter que la fabrication additive métallique, et plus particulièrement la fusion sur lit de poudre laser (L-PBF), est la plus répandue dans ce domaine. Ce procédé utilise l'énergie laser pour fusionner de la poudre métallique couche par couche. Il est particulièrement adapté à la production de pièces petites, complexes, précises et sur mesure. Les fabricants du secteur aérospatial peuvent également tirer parti du dépôt direct d'électrons (DED), qui consiste à déposer du fil ou de la poudre métallique et est principalement utilisé pour la réparation, le revêtement ou la production de pièces métalliques ou céramiques sur mesure.
En revanche, le jet de liant, bien qu'avantageux en termes de rapidité de production et de faible coût, ne convient pas à la fabrication de pièces mécaniques hautes performances car il nécessite des étapes de renforcement ultérieures qui allongent le temps de fabrication du produit final. La technologie d'extrusion est également efficace dans l'environnement spatial. Il convient de noter que tous les polymères ne sont pas adaptés à une utilisation spatiale, mais les plastiques hautes performances tels que le PEEK peuvent remplacer certaines pièces métalliques grâce à leur résistance. Cependant, ce procédé d'impression 3D reste encore peu répandu, mais il pourrait devenir un atout précieux pour l'exploration spatiale grâce à l'utilisation de nouveaux matériaux.
La fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) est une technologie largement utilisée dans l'impression 3D pour l'aérospatiale.
Potentiel des matériaux spatiaux
L'industrie aérospatiale explore de nouveaux matériaux grâce à l'impression 3D, proposant des alternatives innovantes susceptibles de bouleverser le marché. Si les métaux comme le titane, l'aluminium et les alliages nickel-chrome ont toujours été au centre des préoccupations, un nouveau matériau pourrait bientôt voler la vedette : le régolithe lunaire. Cette couche de poussière recouvrant la Lune a été combinée avec l'impression 3D, comme l'a démontré l'ESA. Advenit Makaya, ingénieur de production senior à l'ESA, décrit le régolithe lunaire comme un matériau similaire au béton, composé principalement de silicium et d'autres éléments chimiques tels que le fer, le magnésium, l'aluminium et l'oxygène. L'ESA s'est associée à Lithoz pour produire de petites pièces fonctionnelles, comme des vis et des engrenages, à partir d'un régolithe lunaire simulé aux propriétés proches de celles de la poussière lunaire.
La plupart des procédés de fabrication du régolithe lunaire utilisent la chaleur, ce qui le rend compatible avec des technologies telles que le frittage sélectif par laser (SLS) et l'impression par liaison de poudre. L'ESA utilise également la technologie D-Shape afin de produire des pièces solides en mélangeant du chlorure de magnésium à des matériaux et en l'associant à l'oxyde de magnésium présent dans l'échantillon simulé. L'un des principaux avantages de ce matériau lunaire réside dans sa résolution d'impression plus fine, permettant de produire des pièces d'une précision extrême. Cette caractéristique pourrait constituer un atout majeur pour étendre la gamme d'applications et fabriquer des composants pour les futures bases lunaires.
Le régolithe lunaire est partout
Il existe également du régolithe martien, un matériau présent dans le sous-sol de Mars. Actuellement, les agences spatiales internationales ne peuvent pas le récupérer, mais cela n'a pas empêché les scientifiques d'étudier son potentiel pour certains projets aérospatiaux. Les chercheurs utilisent des échantillons simulés de ce matériau et le combinent à un alliage de titane pour fabriquer des outils ou des composants de fusées. Les premiers résultats indiquent que ce matériau offrira une résistance accrue et protégera les équipements contre la corrosion et les dommages causés par les radiations. Bien que ces deux matériaux présentent des propriétés similaires, le régolithe lunaire reste le plus étudié. Un autre avantage est que ces matériaux peuvent être fabriqués sur place sans avoir besoin de transporter de matières premières depuis la Terre. De plus, le régolithe est une source inépuisable, contribuant ainsi à prévenir toute pénurie.
Les applications de la technologie d'impression 3D dans l'industrie aérospatiale
Les applications de la technologie d'impression 3D dans l'industrie aérospatiale varient selon le procédé utilisé. Par exemple, la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) permet de fabriquer des pièces complexes à court terme, comme des systèmes d'outillage ou des pièces de rechange spatiales. Launcher, une start-up californienne, a utilisé la technologie d'impression 3D saphir-métal de Velo3D pour améliorer son moteur-fusée à ergols liquides E-2. Ce procédé a permis de créer la turbine à induction, élément crucial pour accélérer et propulser l'oxygène liquide (LOX) dans la chambre de combustion. La turbine et le capteur ont été imprimés en 3D puis assemblés. Ce composant innovant améliore le débit de fluide et la poussée du moteur, ce qui en fait un élément essentiel.
Velo3D a contribué à l'utilisation de la technologie PBF dans la fabrication du moteur-fusée à ergols liquides E-2.
La fabrication additive offre de nombreuses applications, notamment pour la production de structures de toutes tailles. Par exemple, les technologies d'impression 3D, telles que la solution Stargate de Relativity Space, permettent de fabriquer des pièces de grande taille comme des réservoirs de carburant et des pales d'hélice. Relativity Space l'a démontré avec la production réussie de Terran 1, une fusée presque entièrement imprimée en 3D, y compris son réservoir de carburant de plusieurs mètres de long. Son premier lancement, le 23 mars 2023, a prouvé l'efficacité et la fiabilité des procédés de fabrication additive.
La technologie d'impression 3D par extrusion permet également la production de pièces à partir de matériaux haute performance tels que le PEEK. Des composants fabriqués à partir de ce thermoplastique ont déjà été testés dans l'espace et embarqués sur le rover Rashid dans le cadre de la mission lunaire des Émirats arabes unis. Ce test visait à évaluer la résistance du PEEK aux conditions lunaires extrêmes. En cas de succès, le PEEK pourrait remplacer les pièces métalliques lorsque celles-ci se cassent ou que les matériaux sont rares. De plus, sa légèreté pourrait s'avérer précieuse pour l'exploration spatiale.
La technologie d'impression 3D peut être utilisée pour fabriquer une variété de pièces destinées à l'industrie aérospatiale.
Avantages de l'impression 3D dans l'industrie aérospatiale
L'impression 3D présente de nombreux avantages dans l'industrie aérospatiale, notamment une meilleure finition des pièces par rapport aux techniques de construction traditionnelles. Johannes Homa, PDG du fabricant autrichien d'imprimantes 3D Lithoz, a déclaré : « Cette technologie allège les pièces. » Grâce à la liberté de conception, les produits imprimés en 3D sont plus performants et consomment moins de ressources, ce qui a un impact positif sur l'environnement. Relativity Space a démontré que la fabrication additive permet de réduire considérablement le nombre de composants nécessaires à la fabrication d'un engin spatial. Pour la fusée Terran 1, 100 pièces ont ainsi été économisées. De plus, cette technologie offre des avantages considérables en termes de rapidité de production : la fusée a été achevée en moins de 60 jours, contre plusieurs années pour la fabrication traditionnelle.
En matière de gestion des ressources, l'impression 3D permet d'économiser des matériaux et, dans certains cas, même de recycler les déchets. Enfin, la fabrication additive pourrait devenir un atout précieux pour réduire le poids des fusées au décollage. L'objectif est de maximiser l'utilisation des matériaux locaux, comme le régolithe, et de minimiser le transport de matériaux à bord du vaisseau spatial. Il devient ainsi possible d'embarquer uniquement une imprimante 3D, capable de fabriquer l'ensemble des éléments sur place après le voyage.
La société Made in Space a déjà envoyé l'une de ses imprimantes 3D dans l'espace pour des tests.
Limites de l'impression 3D dans l'espace
Bien que l'impression 3D présente de nombreux avantages, cette technologie reste relativement récente et comporte des limites. Advenit Makaya a déclaré : « L'un des principaux problèmes de la fabrication additive dans l'industrie aérospatiale réside dans le contrôle et la validation des procédés. » Les fabricants peuvent tester en laboratoire la résistance, la fiabilité et la microstructure de chaque pièce avant validation, un processus connu sous le nom de contrôle non destructif (CND). Cependant, cette méthode peut s'avérer longue et coûteuse ; l'objectif ultime est donc de réduire le recours à ces tests. La NASA a récemment créé un centre dédié à cette problématique, axé sur la certification rapide des composants métalliques fabriqués par impression 3D. Ce centre vise à utiliser des jumeaux numériques pour améliorer les modèles informatiques des produits, ce qui permettra aux ingénieurs de mieux comprendre les performances et les limites des pièces, notamment leur résistance à la pression avant rupture. Ce faisant, le centre espère contribuer à promouvoir l'application de l'impression 3D dans l'industrie aérospatiale et la rendre plus compétitive face aux techniques de fabrication traditionnelles.
Ces composants ont subi des tests complets de fiabilité et de résistance.
En revanche, le processus de vérification diffère pour les fabrications spatiales. Advenit Makaya, de l'ESA, explique : « Il existe une technique qui consiste à analyser les pièces pendant l'impression. » Cette méthode permet de déterminer quels produits imprimés sont adaptés et lesquels ne le sont pas. De plus, un système d'autocorrection pour imprimantes 3D destinées à l'espace est actuellement testé sur des machines métalliques. Ce système peut identifier les erreurs potentielles du processus de fabrication et modifier automatiquement ses paramètres afin de corriger tout défaut. Ces deux systèmes devraient améliorer la fiabilité des produits imprimés dans l'espace.
Pour valider les solutions d'impression 3D, la NASA et l'ESA ont établi des normes. Ces normes comprennent une série de tests visant à déterminer la fiabilité des pièces. Elles prennent en compte la technologie de fusion sur lit de poudre et sont en cours d'adaptation à d'autres procédés. Par ailleurs, de nombreux acteurs majeurs de l'industrie des matériaux, tels qu'Arkema, BASF, DuPont et Sabic, assurent également cette traçabilité.
Vivre dans l'espace ?
Avec les progrès de l'impression 3D, de nombreux projets réussis sur Terre ont utilisé cette technologie pour construire des maisons. On peut alors se demander si ce procédé pourrait être utilisé, dans un avenir proche ou lointain, pour construire des structures habitables dans l'espace. Si vivre dans l'espace est actuellement irréaliste, la construction de maisons, notamment sur la Lune, pourrait s'avérer précieuse pour les astronautes lors de leurs missions spatiales. L'Agence spatiale européenne (ESA) ambitionne de construire des dômes sur la Lune à partir de régolithe lunaire, qui peut servir à édifier des murs ou des briques pour protéger les astronautes des radiations. Selon Advenit Makaya de l'ESA, le régolithe lunaire est composé d'environ 60 % de métal et 40 % d'oxygène et constitue un matériau essentiel à la survie des astronautes car il peut fournir une source inépuisable d'oxygène.
La NASA a octroyé une subvention de 57,2 millions de dollars à ICON pour le développement d'un système d'impression 3D destiné à la construction de structures sur la surface lunaire. Elle collabore également avec l'entreprise à la création d'un habitat sur Mars Dune Alpha. L'objectif est de tester les conditions de vie sur Mars en faisant vivre des volontaires dans un habitat pendant un an, simulant ainsi les conditions régnant sur la planète rouge. Ces efforts constituent des étapes cruciales vers la construction directe de structures imprimées en 3D sur la Lune et Mars, ce qui pourrait à terme ouvrir la voie à la colonisation spatiale humaine.
Dans un avenir lointain, ces maisons pourraient permettre à la vie de survivre dans l'espace.
Date de publication : 14 juin 2023
