Depuis le 20e siècle, la race humaine est fascinée par l'exploration de l'espace et la compréhension de ce qui se trouve au-delà de la Terre.De grandes organisations telles que la NASA et l'ESA ont été à la pointe de l'exploration spatiale, et un autre acteur important de cette conquête est l'impression 3D.Avec la possibilité de produire rapidement des pièces complexes à moindre coût, cette technologie de conception devient de plus en plus populaire dans les entreprises.Il rend possible la création de nombreuses applications, telles que les satellites, les combinaisons spatiales et les composants de fusées.En fait, selon SmarTech, la valeur marchande de la fabrication additive de l'industrie spatiale privée devrait atteindre 2,1 milliards d'euros d'ici 2026. Cela soulève la question suivante : comment l'impression 3D peut-elle aider les humains à exceller dans l'espace ?
Initialement, l'impression 3D était principalement utilisée pour le prototypage rapide dans les industries médicale, automobile et aérospatiale.Cependant, à mesure que la technologie s'est répandue, elle est de plus en plus utilisée pour les composants à usage final.La technologie de fabrication additive métallique, en particulier L-PBF, a permis la production d'une variété de métaux avec des caractéristiques et une durabilité adaptées aux conditions spatiales extrêmes.D'autres technologies d'impression 3D, telles que le DED, le jet de liant et le processus d'extrusion, sont également utilisées dans la fabrication de composants aérospatiaux.Ces dernières années, de nouveaux modèles commerciaux sont apparus, avec des entreprises telles que Made in Space et Relativity Space utilisant la technologie d'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 présentés, examinons de plus près les différentes technologies d'impression 3D utilisées dans l'industrie aérospatiale.Tout d'abord, il convient de noter que la fabrication additive métallique, en particulier le L-PBF, est la plus utilisée dans ce domaine.Ce processus implique l'utilisation de l'énergie laser pour fusionner la poudre métallique couche par couche.Il est particulièrement adapté à la production de petites pièces complexes, précises et personnalisées.Les industriels de l'aérospatiale peuvent également bénéficier du DED, qui consiste à déposer du fil métallique ou de la poudre et est principalement utilisé pour réparer, revêtir ou produire des pièces métalliques ou céramiques personnalisées.
En revanche, la projection de liant, bien qu'avantageuse en termes de rapidité de production et de faible coût, n'est pas adaptée à la réalisation de pièces mécaniques performantes car elle nécessite des étapes de renforcement post-traitement qui augmentent 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 dans l'espace, mais les plastiques hautes performances tels que le PEEK peuvent remplacer certaines pièces métalliques en raison de leur résistance.Cependant, ce procédé d'impression 3D est encore peu répandu, mais il peut devenir un atout précieux pour l'exploration spatiale en utilisant 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 a exploré de nouveaux matériaux grâce à l'impression 3D, proposant des alternatives innovantes susceptibles de bouleverser le marché.Alors que les métaux tels que le titane, l'aluminium et les alliages nickel-chrome ont toujours été à l'honneur, un nouveau matériau pourrait bientôt voler la vedette : le régolithe lunaire.Le régolithe lunaire est une couche de poussière recouvrant la lune, et l'ESA a démontré les avantages de la combiner avec l'impression 3D.Advenit Makaya, ingénieur principal de fabrication de l'ESA, décrit le régolithe lunaire comme similaire au béton, principalement composé 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 telles que des vis et des engrenages en utilisant un régolithe lunaire simulé avec des propriétés similaires à la vraie poussière de lune.
La plupart des processus impliqués dans la fabrication du régolithe lunaire utilisent la chaleur, ce qui la rend compatible avec des technologies telles que SLS et les solutions d'impression par liaison de poudre.L'ESA utilise également la technologie D-Shape dans le but de produire des pièces solides en mélangeant du chlorure de magnésium avec des matériaux et en le combinant avec de l'oxyde de magnésium trouvé dans l'échantillon simulé.L'un des avantages significatifs de ce matériau lunaire est sa résolution d'impression plus fine, lui permettant de produire des pièces avec la plus grande précision.Cette fonctionnalité pourrait devenir le principal atout pour élargir la gamme d'applications et de composants de fabrication pour les futures bases lunaires.
Le régolithe lunaire est partout
Il existe également un régolithe martien, faisant référence à des matériaux souterrains trouvés sur Mars.Actuellement, les agences spatiales internationales ne peuvent pas récupérer ce matériau, mais cela n'a pas empêché les scientifiques de rechercher son potentiel dans certains projets aérospatiaux.Les chercheurs utilisent des spécimens simulés de ce matériau et le combinent avec un alliage de titane pour produire des outils ou des composants de fusée.Les premiers résultats indiquent que ce matériau fournira une plus grande résistance et protégera l'équipement contre la rouille et les dommages causés par les radiations.Bien que ces deux matériaux aient des propriétés similaires, le régolithe lunaire reste le matériau le plus testé.Un autre avantage est que ces matériaux peuvent être fabriqués sur place sans qu'il soit nécessaire de transporter des matières premières depuis la Terre.De plus, le régolithe est une source matérielle inépuisable, contribuant à prévenir la 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 peuvent varier en fonction du processus spécifique utilisé.Par exemple, la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) peut être utilisée pour fabriquer des pièces complexes à court terme, telles que des systèmes d'outils ou des pièces de rechange spatiales.Launcher, une startup basée en Californie, a utilisé la technologie d'impression 3D saphir-métal de Velo3D pour améliorer son moteur de fusée liquide E-2.Le processus du fabricant a été utilisé pour créer la turbine à induction, qui joue un rôle crucial dans l'accélération et l'entraînement du LOX (oxygène liquide) dans la chambre de combustion.La turbine et le capteur ont chacun été imprimés à l'aide de la technologie d'impression 3D, puis assemblés.Ce composant innovant fournit à la fusée un plus grand débit de fluide et une plus grande poussée, ce qui en fait une partie essentielle du moteur
Velo3D a contribué à l'utilisation de la technologie PBF dans la fabrication du moteur de fusée liquide E-2.
La fabrication additive a de nombreuses applications, y compris la production de petites et grandes structures.Par exemple, les technologies d'impression 3D telles que la solution Stargate de Relativity Space peuvent être utilisées pour fabriquer de grandes pièces telles que des réservoirs de carburant de fusée et des pales d'hélice.Relativity Space l'a prouvé à travers la production réussie de la Terran 1, une fusée presque entièrement imprimée en 3D, comprenant un réservoir de carburant de plusieurs mètres de long.Son premier lancement le 23 mars 2023 a démontré l'efficacité et la fiabilité des procédés de fabrication additive.
La technologie d'impression 3D basée sur l'extrusion permet également la production de pièces à l'aide de matériaux performants tels que le PEEK.Des composants fabriqués à partir de ce thermoplastique ont déjà été testés dans l'espace et ont été placés sur le rover Rashid dans le cadre de la mission lunaire des Émirats arabes unis.Le but de ce test était d'évaluer la résistance du PEEK aux conditions lunaires extrêmes.En cas de succès, PEEK peut être en mesure de remplacer les pièces métalliques dans les situations où les pièces métalliques se cassent ou les matériaux sont rares.De plus, les propriétés légères du PEEK peuvent être utiles dans l'exploration spatiale.
La technologie d'impression 3D peut être utilisée pour fabriquer une variété de pièces pour l'industrie aérospatiale.
Avantages de l'impression 3D dans l'industrie aérospatiale
Les avantages de l'impression 3D dans l'industrie aérospatiale incluent l'amélioration de l'apparence finale des pièces par rapport aux techniques de construction traditionnelles.Johannes Homa, PDG du fabricant autrichien d'imprimantes 3D Lithoz, a déclaré que "cette technologie rend les pièces plus légères".En raison de la liberté de conception, les produits imprimés en 3D sont plus efficaces et nécessitent moins de ressources.Cela a un impact positif sur l'impact environnemental de la production de pièces.Relativity Space a démontré que la fabrication additive peut réduire considérablement le nombre de composants nécessaires à la fabrication d'engins spatiaux.Pour la fusée Terran 1, 100 pièces ont été sauvées.De plus, cette technologie présente des avantages significatifs en termes de vitesse de production, la fusée étant achevée en moins de 60 jours.En revanche, la fabrication d'une fusée selon des méthodes traditionnelles pourrait prendre plusieurs années.
En ce qui concerne la gestion des ressources, l'impression 3D peut économiser des matériaux et, dans certains cas, même permettre le recyclage des déchets.Enfin, la fabrication additive peut devenir un atout précieux pour réduire la masse au décollage des fusées.L'objectif est de maximiser l'utilisation de matériaux locaux, tels que le régolithe, et de minimiser le transport de matériaux dans les engins spatiaux.Cela permet de n'emporter qu'une imprimante 3D, qui peut tout créer sur place après le voyage.
Made in Space a déjà envoyé une de ses imprimantes 3D dans l'espace pour des tests.
Les limites de l'impression 3D dans l'espace
Bien que l'impression 3D présente de nombreux avantages, la technologie est encore relativement nouvelle et présente des limites.Advenit Makaya a déclaré : "L'un des principaux problèmes de la fabrication additive dans l'industrie aérospatiale est le contrôle et la validation des processus."Les fabricants peuvent entrer dans le laboratoire et tester la résistance, la fiabilité et la microstructure de chaque pièce avant la validation, un processus connu sous le nom de test non destructif (NDT).Cependant, cela peut être à la fois long et coûteux, de sorte que le but ultime est de réduire le besoin de ces tests.La NASA a récemment créé un centre pour résoudre ce problème, axé sur la certification rapide des composants métalliques fabriqués par fabrication additive.Le centre vise à utiliser des jumeaux numériques pour améliorer les modèles informatiques de produits, ce qui aidera les ingénieurs à mieux comprendre les performances et les limites des pièces, y compris la pression qu'elles peuvent supporter avant la rupture.Ce faisant, le centre espère contribuer à promouvoir l'application de l'impression 3D dans l'industrie aérospatiale, en la rendant plus efficace pour concurrencer les techniques de fabrication traditionnelles.
Ces composants ont subi des tests complets de fiabilité et de résistance.
En revanche, le processus de vérification est différent si la fabrication se fait dans l'espace.Advenit Makaya de l'ESA explique : « Il existe une technique qui consiste à analyser les pièces lors de l'impression.Cette méthode permet de déterminer quels produits imprimés conviennent et lesquels ne le sont pas.De plus, il existe un système d'autocorrection pour les imprimantes 3D destinées à l'espace et en cours de test sur des machines métalliques.Ce système peut identifier les erreurs potentielles dans le processus de fabrication et modifier automatiquement ses paramètres pour corriger les défauts de la pièce.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 pour déterminer la fiabilité des pièces.Ils envisagent la technologie de fusion sur lit de poudre et les mettent à jour pour d'autres procédés.Cependant, de nombreux acteurs majeurs de l'industrie des matériaux, tels qu'Arkema, BASF, Dupont et Sabic, fournissent également cette traçabilité.
Vivre dans l'espace ?
Avec l'avancement de la technologie d'impression 3D, nous avons vu de nombreux projets réussis sur Terre qui utilisent cette technologie pour construire des maisons.Cela nous amène à nous demander si ce procédé pourrait être utilisé dans un avenir proche ou lointain pour construire des structures habitables dans l'espace.Alors que vivre dans l'espace est actuellement irréaliste, construire des maisons, en particulier sur la lune, peut être bénéfique pour les astronautes lors de l'exécution de missions spatiales.L'objectif de l'Agence spatiale européenne (ESA) est de construire des dômes sur la lune à l'aide de régolithe lunaire, qui peuvent être utilisés pour construire 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 est un matériau essentiel à la survie des astronautes car il peut fournir une source inépuisable d'oxygène s'il est extrait de ce matériau.
La NASA a accordé une subvention de 57,2 millions de dollars à ICON pour le développement d'un système d'impression 3D pour la construction de structures sur la surface lunaire et collabore également avec l'entreprise pour créer un habitat 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 les conditions sur la planète rouge.Ces efforts représentent des étapes critiques vers la construction directe de structures imprimées en 3D sur la Lune et sur Mars, ce qui pourrait éventuellement ouvrir la voie à la colonisation spatiale humaine.
Dans un futur lointain, ces maisons pourraient permettre à la vie de survivre dans l'espace.
Heure de publication : 14 juin 2023