Impression 3D hors de la Terre : le laboratoire national de l’ISS accueille l’atelier AM in Space

Impression 3D hors de la Terre : le laboratoire national de l’ISS accueille l’atelier AM in Space

La fabrication hors de la Terre commence à faire la lumière sur la façon dont les humains pourraient vivre en orbite. Le développement de capacités de ressources in situ, comme la fabrication dans l’espace, pour le maintien de la vie et de la mobilité dans l’espace, figure depuis des années sur la liste des grands défis technologiques de la NASA. Des experts de l’industrie, des universités et des gouvernements tentent de créer des systèmes radicaux en utilisant des technologies de rupture susceptibles de transformer des missions spatiales essentielles. Cependant, les capacités actuelles ne sont toujours pas suffisantes pour supporter des voyages spatiaux fréquents ou de longue durée. Mais tout espoir n’est pas perdu. La fabrication d’additifs (AM) est censée être la clé pour résoudre les limitations de la fabrication dans l’espace.

Depuis les années 1990, la Station spatiale internationale (ISS) sert de laboratoire de recherche sur la microgravité et l’environnement spatial où les experts ont acquis des connaissances essentielles qui pourraient aider les futures capacités de survie, en particulier avec les agences spatiales qui prévoient de déployer des missions vers la Lune et Mars au cours de la prochaine décennie. La NASA et ses partenaires internationaux et commerciaux sont très bien placés pour établir un plan d’exploration humaine de l’espace, mais avant que cela n’arrive, ils doivent créer les installations de fabrication et les matériaux qui accéléreront l’exploration spatiale.

L’astronaute de la NASA Andrew Morgan entretient la bioimprimante 3D de la Bio-Fabrication Facility (BFF) (Image reproduite avec l’aimable autorisation du laboratoire national de l’ISS)

Afin de mieux comprendre les tendances actuelles, la recherche et les défis de la R&D en AM et en microgravité, le Center for the Advancement of Science in Space (CASIS), gestionnaire du laboratoire national américain de l’ISS, a organisé l’atelier virtuel 2020 sur la fabrication d’additifs dans l’espace. Organisé en juillet 2020, l’événement comprenait des séances d’information et des réunions en petits groupes axées sur les matériaux et les processus spécifiques à la microgravité, l’utilisation des ressources in situ (ISRU) et la production dans l’espace.

Etop Esen, responsable de l’innovation commerciale dans la stratégie et le développement commercial du laboratoire national CASIS/ISS, a expliqué que le laboratoire travaille avec des entreprises sur la science, la technologie et l’innovation révolutionnaires en utilisant l’environnement de microgravité de l’ISS pour relever les défis du monde réel et essayer de combler les lacunes et de faire avancer le développement de la GA pour la fabrication industrielle à grande échelle. Esen a décrit comment dans l’espace, « lorsque la gravité n’est plus une variable dominante » et que nous n’avons pas de « processus normaux de sédimentation ou d’autres phénomènes », les interphases matérielles deviennent plus dominantes.

En ce qui concerne les matériaux, Jennifer Edmunson du groupe d’exploration spatiale Jacobs, qui soutient le Marshall Space Flight Center (MSFC) de la NASA, a souligné qu’on ne sait pas encore très bien dans quelle mesure les matériaux et les roches que l’on trouve sur la Terre et sur d’autres corps planétaires peuvent être convertis de manière économique et utilisés comme matière première pour l’impression 3D. Il a également suggéré qu’une partie de la solution pourrait venir d’études sur les déchets recyclés à bord de l’ISS, suivies d’une exposition à l’environnement de l’orbite terrestre basse (LEO) à l’extérieur de la station pour tester la durabilité des matériaux imprimés en 3D.

L’ISRU est nécessaire pour changer le paradigme de l’unité orbitale de remplacement et du stockage des pièces de réparation afin que les habitats opérationnels de la prochaine génération reposent sur des systèmes réparables, remplaçables ou utilisables, a déclaré M. Edmunson. Elle a également souligné que la masse de rechange actuellement en orbite pèse 12 170 kg, alors que seulement 450 kg de pièces sont défaillantes chaque année, de sorte qu’il y a « beaucoup de pièces de rechange qui ramassent la poussière », et que « l’ISRU est le seul moyen économique de permettre une présence humaine durable hors de la Terre ».

« Si nous avions un habitat durable sur la lune, nous pourrions prendre les matériaux, les séparer chimiquement en leurs éléments constitutifs et les recombiner pour en faire du ciment pour les murs, ou des vitamines et de l’oxygène pour les membres d’équipage. Mais nous ne sommes pas exactement prêts à y aller, nous ne savons pas vraiment quelle quantité de ces éléments est présente car l’observation à distance est superficielle », a révélé Edmunson. « Il y a beaucoup d’étapes à franchir pour passer d’une ressource sur le terrain à une matière première imprimable. Nous devons nous demander si ces processus existent même sur Terre aujourd’hui, s’ils sont économiquement évolutifs et combien de ces processus dépendent de la gravité ».

Pour l’ISRU sur d’autres corps planétaires qui prévoient d’utiliser des matériaux de type régolite (dépôts superficiels recouvrant la roche solide), les processus de conversion des matériaux utilisés sur Terre doivent être testés pour déterminer s’ils sont adaptés aux opérations en gravité réduite ou si de nouvelles technologies et de nouveaux matériaux sont nécessaires, a expliqué M. Edmunson. Différentes « recettes » de matières premières AM, formulées sur la base de combinaisons de matériaux trouvés dans le régolithe lunaire, peuvent être étudiées à l’aide des installations AM de l’ISS. Le verre et la vitrocéramique produits à partir du régolithe lunaire ont été suggérés pour des études ciblées dans ce domaine et le MSFC de la NASA a déjà imprimé des structures de sous-échelle à l’aide d’une pâte imprimée en 3D, y compris un régolithe martien simulé.

Concept de système ISRU pour l’excavation et le traitement robotique autonome du sol martien. (Image reproduite avec l’aimable autorisation de la NASA)

Sur le plan commercial, Amber Andreaco, ingénieur principal pour le comportement des matériaux chez GE Additive, a déclaré qu’une des limites actuelles rencontrées avec la fusion en lit de poudre (FPL) AM pour les structures métalliques « grand format », telles que les tuyères de fusée, est la nécessité d’imprimer par sections puis de « coudre », ou de joindre, les pièces imprimées. Alors que les possibilités de recherche à explorer pour l’ISS comprennent l’étude de la manière dont le processus d’assemblage affecte les propriétés des matériaux finis, comme la capacité de fatigue en microgravité, et la réalisation d’études d’exposition à la LEO avec des échantillons de matériaux PBF.

Selon M. Andreaco, les systèmes PBF posent certains défis dans l’espace, notamment la taille de la machine et les traitements thermiques de post-traitement pour obtenir certaines des propriétés du matériau. GE Additive travaille activement sur un additif grand format pour de multiples applications spatiales. Andreaco a décrit que « cela a été un défi pour l’industrie de se réunir et de se mettre d’accord sur des normes dans une perspective d’adoption », et que la compréhension des exigences, tant réglementaires que de conception, est la première étape vers la qualification.

Services d’impression 3D de GE Additive. (Image reproduite avec l’aimable autorisation de GE Additive)

Le représentant de Tethers Unlimited, Rob Hoyt, et Justin Kugler, de Made In Space, ont discuté de plusieurs installations de l’ISS installées ou prévues pour la fabrication dans l’espace. Parmi ces installations, on trouve le Tethers Refabricator, un recycleur de plastiques et une imprimante 3D conçus pour faire la démonstration d’un processus de fabrication en boucle fermée et de recyclage des plastiques sur l’ISS ; le « FabLab » de Tethers, qui intègre une imprimante 3D en métal pour la fabrication in situ de pièces de précision dans l’espace ; et le Made In Space Additive Manufacturing Facility, la première plateforme commerciale de fabrication d’additifs pour la MA à être installée sur l’ISS.

Hoyt, le PDG de Tethers, a décrit la fabrication spatiale comme une « clé de voûte » qui peut relier les différents marchés de l’espace pour permettre une économie fonctionnelle. Tethers s’est concentré sur la manière de prendre les déchets ou les débris spatiaux et de les retraiter pour en faire des ressources et des matières premières pour la fabrication dans l’espace. L’un des défis de conception pour l’entreprise est de rendre les systèmes hautement autonomes et automatisés afin de minimiser le temps que les astronautes doivent consacrer à leur fonctionnement.

L’équipe du FabLab. (Image reproduite avec l’aimable autorisation de Tethers Unlimited)

De plus, nous avons appris que le prochain vol SpaceX transportera la première usine de fabrication de céramique de Made In Space vers l’ISS. Elle utilisera la stéréolithographie de résines précéramiques pour produire des pièces céramiques très uniformes présentant un faible nombre de défauts par rapport à leurs homologues terrestres. Pour Kugler, la combinaison de l’additif avec des procédés de fabrication rapides, comme la stéréolithographie et la formation de faisceaux métalliques, permettra de générer rapidement des pièces et des matériaux de haute qualité dans l’espace.

« Cette combinaison de processus est la boîte à outils dont nous aurons besoin lorsque nous irons sur la Lune et sur Mars », a révélé M. Kugler, qui est vice-président des programmes et concepts avancés de Made In Space. « Pour la production industrielle en LEO, nous devons passer à des procédés par lots, afin de pouvoir générer suffisamment de produits sur une échelle de temps qui soit pertinente pour l’industrie. Je pense que la combinaison des facteurs et la disponibilité pour faire du traitement par lots donneront de l’évolutivité à l’industrie ».

Le module de fabrication de céramique de Made In Space. (Image reproduite avec l’aimable autorisation de Made In Space)

Au cours des réunions en petits groupes, les experts se sont penchés sur la microgravité et sur la façon dont elle permet de nouvelles options telles que l’utilisation de matériaux souples (comme les élastomères, les mousses et les caoutchoucs), d’encres à faible viscosité et de nouvelles options en matière de polymères (notamment les thermodurcissables à temps de cuisson plus long, les systèmes de polymères chargés, le renforcement par fibres continues et les polymères semi-cristallins). De même que la mesure précise des propriétés thermophysiques et du comportement au mouillage, rendue possible par les études en microgravité, est essentielle pour les processus de MA tant dans l’espace que sur Terre et devrait être un axe prioritaire de la recherche sur l’ISS.

En outre, Kugler et Allison Beese, professeur associé en science et ingénierie des matériaux à la Penn State University, ont suggéré que la compréhension des exigences, des propriétés des matériaux et des options de conception spécifiques aux applications spatiales est importante pour les produits fabriqués et utilisés dans l’espace, en particulier pour les grandes structures exposées. La mise à jour des outils de conception aidera à tirer parti de la variété de formes et de structures non uniformes possibles grâce à la MA spatiale.

Des approches créatives entre la NASA et d’autres organisations et entreprises menant déjà des activités de MA ou des activités connexes en orbite pourraient déboucher sur des solutions innovantes et essentielles pour l’exploration humaine de l’espace, créant ainsi les bases qui permettront de mettre au point la technologie et les matériaux qui feront de la fabrication dans l’espace un processus industrialisé et évolutif.

L’atelier AM in Space, organisé par le laboratoire national de l’ISS, est apparu pour la première fois sur 3DPrint.com | The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing.