Comment optimiser la production de structures sur l’une de ces imprimantes dans l’espace? Comment utiliser les nouvelles technologies pour créer des systèmes optiques ultralégers destinés aux nanosatellites? Des chercheurs d’universités russes qui participent au projet «5-100» ont parlé de leurs dernières créations.
L’un des principaux avantages tient à ce qu’une seule imprimante 3D peut remplacer une multitude d’équipements d’usine conventionnels. En novembre 2020, le magazine Forbes a inclus les technologies additives (du latin «additivus», ajouté) à la liste des cinq nouvelles technologies révolutionnaires auxquelles les entrepreneurs devraient prêter attention. Les auteurs ont fait remarquer que les technologies additives peuvent être très utiles dans l’industrie aérospatiale, où le poids constitue souvent le facteur le plus important dans les coûts de la mise sur orbite.
L’utilisation de l’impression 3D dans l’espace peut considérablement accélérer l’exploration de l’espace. Par ailleurs, les technologies additives commencent à être activement utilisées dans l’industrie des fusées.
Les casques des astronautes Robert Behnken et Doug Hurley, qui ont participé au lancement de la fusée Falcon 9 avec le vaisseau spatial Crew Dragon le 30 mai 2020, ont été fabriqués sur mesure avec l’utilisation de l’impression 3D.
La société aérospatiale de Jeff Bezos, Blue Origin, utilise la fabrication additive pour imprimer les composants du moteur BE-4. Deux jeunes entreprises, une américaine (Relativity Space) et une britannique (Orbex), spécialisées dans la construction de fusées, prévoient également de tirer le meilleur parti des capacités des imprimantes 3D.
Plus de sécurité pour les structures 3D
Dans le même temps, la présence du moindre défaut dans les structures faites sur des imprimantes 3D est d’une importance cruciale pour la sécurité de l’équipement. Les chercheurs de l’Université nationale de recherche technologique MISIS ont pu améliorer la technologie d’impression 3D à partir d’aluminium, en obtenant une augmentation de 1,5 fois la dureté normale.
Selon les chercheurs, le principal risque de l’apparition de tels défauts est lié à la forte porosité du matériau causée entre autres par les particularités de la poudre d’aluminium. Pour assurer une microstructure uniforme et dense, ils ont proposé d’ajouter des nanofibres de carbone à la poudre d’aluminium ce qui permet d’assurer une faible porosité et d’augmenter sa dureté de 1,5 fois. Les résultats ont été publiés dans la revue Composites Communications.
«Les nanofibres de carbone ont une conductivité thermique élevée ce qui permet de minimiser les gradients de température entre les couches imprimées lors de la synthèse des produits, au stade de la fusion sélective par laser. On peut ainsi éliminer presque complètement les inhomogénéités de la microstructure du matériau», a expliqué Alexander Gromov, professeur à la MISIS.
Les nanofibres de carbone utilisées sont un sous-produit du traitement du gaz associé au pétrole. Lors de sa décomposition catalytique le carbone s’accumule sous forme de nanofibres sur les particules métalliques dispersives du catalyseur. En règle générale, le gaz associé au pétrole est simplement brûlé dans les champs, ce qui est nuisible pour l’environnement. C’est pourquoi l’utilisation de cette nouvelle méthode a également une grande importance environnementale, ont noté les chercheurs.
Optimiser la production dans l’espace
L’impression 3D pourrait être utilisée dans de futures missions spatiales telles que la colonisation de Mars, selon Elon Musk et d’autres. Pour vivre sur la planète rouge, il faut avoir la possibilité d’y lancer une production et idéalement d’utiliser des matériaux locaux. Des imprimantes 3D pourraient être utilisées pour poser les fondations et créer un habitat.
Déjà maintenant, dans la Station spatiale internationale (ISS) le problème de la disponibilité des matériaux se pose pour les astronautes devant attendre le prochain vaisseau-cargo pendant plusieurs mois. Parfois, une petite pièce importante se brise ou est perdue, comme par exemple les fiches en plastique pour les contacts électriques. Dans de tels cas, une imprimante 3D capable d’imprimer des pièces en plastique dans l’espace peut y remédier. À l’avenir, lors des vols interplanétaires ce problème deviendra encore plus important et la demande pour une telle imprimante augmentera.
L’avantage de l’imprimante 3D russe, qui devrait être envoyée dans l’espace en 2021, est son système modulaire plus avancé qui permettra la modernisation et la réparation des équipements, ont indiqué les chercheurs de l’Université polytechnique de Tomsk qui l’ont mise au point. Ainsi, pour la transition des simples plastiques aux matériaux superstructuraux ou composites, les ingénieurs n’auront pas à fabriquer une nouvelle imprimante et à la livrer à nouveau à l’ISS, comme le font aujourd’hui les Américains.
«Le travail est à son stade final pour préparer un modèle fonctionnel d’imprimante 3D. L’équipement envoyé à l’ISS doit répondre à d’importantes exigences en termes de résistance aux charges mécaniques, climatiques et autres. De plus, il faut s’assurer que l’imprimante n’est pas dangereuse pour les astronautes. On est en train de vérifier tout cela, un certain nombre de tests et d’examens sont en cours. Par ailleurs, on est en train de travailler sur l’amélioration du logiciel qui a été spécialement créé pour cette imprimante», a expliqué Vassili Fedorov, chef d’un laboratoire de recherche à l’Université polytechnique de Tomsk.
Créer un système optique ultraléger pour les nanosatellites
Les possibilités offertes par l’impression 3D ont permis aux chercheurs de l’Université de Samara de développer un système optique ultraléger unique avec des optiques diffractives pour les nanosatellites. Ce sera la première lentille de ce type au monde qui sera envoyée dans l’espace, ont dit les chercheurs.
Le système optique est basé sur une lentille diffractive plate développée à l’université et qui possède des caractéristiques exceptionnelles. Un objectif avec une telle lentille remplace le système de lentilles des téléobjectifs modernes et se distingue par son faible poids (moins de 100 grammes avec la partie optique) et ses dimensions miniatures.
Pour l’objectif a été développé un corps bionique innovant dont le poids a été minimisé grâce à une technologie optimale tout en maintenant les caractéristiques de résistance. Ce composant a été créé par impression 3D avec l’aide du dispositif de fusion sélective par laser SLM 280HL.
Selon les chercheurs, pour minimiser le poids de la pièce, des zones cellulaires spéciales ont été ajoutées à sa structure interne suite à une optimisation topologique. Elle a les dimensions suivantes: 70×80×100 mm. Grâce à l’utilisation de technologies additives son poids a été réduit d’environ 40% par rapport à une pièce similaire fabriquée selon les méthodes traditionnelles.
«Le corps de l’objectif est fabriqué en poudre d’alliage d’aluminium AlSi10Mg. Cet alliage de fabrication russe est connu aussi bien en Russie qu’à l’étranger. Comme vous le savez, dans le secteur spatial et aéronautique le poids constitue la principale caractéristique qu’on s’applique constamment à réduire», a déclaré Vitali Smelov, chargé de cours au département de technologies de production des moteurs à l’Université de Samara.
Les chercheurs qui ont réalisé l’optimisation topologique, ont obtenu et analysé plusieurs formes de celle-ci.
«En partenariat avec des experts dans le domaine de l’optimisation topologique et des technologies additives CADFEM CIS, nous avons réalisé un grand volume de travaux pour obtenir une nouvelle forme de structure qui répond aux exigences modernes des entreprises de l’industrie spatiale mondiale», a déclaré Anton Agapovitchev, chercheur à l’Université de Samara.
Le prix des produits concurrents à l’image de Gecko Imager, un objectif pour CubeSat, s’élève à 23.000 euros. Selon les chercheurs, le prix du système optique qu’ils sont en train de développer, sera inférieur.
Réalisé dans le cadre du projet national «Éducation», le projet «5-100» vise à favoriser le développement du potentiel de la recherche des universités russes et à renforcer leur position sur le marché global de l’enseignement.