Les progrès de la technologie spatiale et des procédés de fabrication ont permis de réduire les coûts et les obstacles à l’accès à l’espace. Cependant, l’espace reste coûteux. Aujourd’hui, tous les engins spatiaux sont développés, testés et assemblés sur Terre avant d’être mis en orbite, et il est difficile et coûteux de préparer les composants et les technologies pour le vol.
Depuis des années, les experts proposent l’impression 3D et la fabrication in situ comme une solution viable pour éviter ces coûts. Cependant, en dehors des technologies avancées de fabrication additive (AM) déployées pour la recherche sur la Station spatiale internationale (ISS), nous n’avons toujours pas vu d’engins spatiaux construits en orbite. Un groupe d’étudiants universitaires espère que cela changera après avoir démontré avec succès un processus d’impression 3D qui pourrait être utilisé pour produire des structures pour des panneaux solaires, des antennes et d’autres installations en orbite.
L’équipe d’étudiants d’AIMIS-FYT : Michael Kringer, Nils Torben Schaefer, Christoph Boehrer, Moritz Frey, Fabian Schill,Julius Frick, Manuel Kullmann et Maximilian Strasser. Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’ESA/AIMIS-FYT.
Huit étudiants en génie aérospatial de l’Université des sciences appliquées de Munich ont exploré de nouvelles approches pour la fabrication directement dans l’espace grâce à un programme soutenu par l’Agence spatiale européenne (ESA) intitulé “Fly your Thesis ! (FYT), qui offre aux étudiants une occasion unique de proposer, concevoir, construire, tester et faire voler leurs recherches dans des conditions de microgravité lors d’un vol parabolique. Pour ce projet, l’équipe Additive Manufacturing In Space (AIMIS)-FYT a construit une imprimante 3D avec une extrudeuse pour distribuer un photopolymère liquide. Plutôt que de créer des composants couche par couche comme le font les imprimantes 3D conventionnelles, les composants sont créés directement par le mouvement 3D d’une tête d’impression du développeur de technologie de dosage ViscoTec et durcis dans un court laps de temps par l’application de lumière UV.
Impression 3D en apesanteur pendant la campagne de vols paraboliques de l’ESA. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’AIMIS-FYT.
En novembre 2020, huit expériences ont décollé lors de la 74e campagne de vols paraboliques de l’ESA depuis l’aéroport de Paderborn-Lippstadt en Allemagne. Presque toutes les expériences ont fonctionné, certaines même mieux que prévu, selon les membres de l’équipe AIMIS-FYT, Michael Kringer et Christoph Böhrer. Plus important encore, ils ont pu montrer que le processus d’impression fonctionne avec succès dans des conditions d’apesanteur. Pour ViscoTec, l’expérience a également révélé que la tête d’impression vipro-HEAD 5 utilisée – décrite par les étudiants comme “le cœur de l’imprimante” – est adaptée à une utilisation en microgravité.
Pendant les 90 paraboles, les expériences ont été divisées en différents types d’opérations de base pour créer des tiges droites, des tiges droites avec des points de départ et d’arrêt, des tiges flottantes et des connexions entre les tiges. Pour les six premiers types d’opérations, une plaque d’impression conventionnelle a été utilisée comme point de départ de l’impression. Kringer et Böhrer ont déclaré qu’ils ont également imprimé des tiges à un angle et testé différentes approches pour la buse pendant les expériences sur les tiges droites. Ils voulaient voir “dans quelle mesure un flux de cisaillement à la sortie de la buse affecte le processus d’impression”. Même s’ils ont indiqué que les tiges en angle avec surplomb sont beaucoup plus difficiles à imprimer dans des conditions de gravité normale, en apesanteur, les opérations d’impression en angle “se sont avérées très réussies.”
En outre, certains paramètres du processus d’impression ont été systématiquement modifiés d’un essai à l’autre afin d’identifier les détériorations et les améliorations du processus d’impression. Les principaux paramètres du processus d’impression sont la vitesse d’extrusion de la résine, l’intensité de la lumière UV, la durée de la lumière UV et la trajectoire de l’imprimante. Le nombre de paramètres et les possibilités d’impression d’une tige ont montré que même une simple tige droite pouvait rapidement devenir complexe.
L’équipe AIMIS-FYT, avant de décoller pour la campagne de vols paraboliques de l’ESA visant à explorer de nouvelles approches pour la fabrication directement dans l’espace. Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’ESA/AIMIS-FYT.
Outre les têtes d’impression ViscoTec, l’équipe s’est également appuyée sur les aiguilles de distribution coniques anti-UV de Vieweg ; les blocs d’alimentation de PULS, dont les très efficaces et compacts 24V, 10A CP10.241 et 24V, 5A CS5.244, et un adhésif de Delo, ont également contribué au succès des expériences. L’équipe a testé la résine bien avant la campagne et l’a comparée à d’autres adhésifs, choisissant pour leur expérience une cataphorèse. En même temps, la résine à durcissement rapide et l’adhésif à faible retrait volumétrique ont fait leurs preuves.
L’ensemble du processus d’impression a été surveillé par des caméras et des capteurs. AIMIS-FYT a monté une caméra détaillée et une caméra thermique pour suivre en parallèle le mouvement du vipro-HEAD 5. En même temps, une caméra haute résolution a été utilisée pour observer en permanence la résine sortant de la buse. La caméra thermique a été utilisée pour documenter la réaction exothermique de la résine à la sortie de la buse et le long de la tige. Grâce à ces données, l’équipe espère pouvoir mieux contrôler et optimiser le processus d’impression lors de futures expériences.
L’équipe d’AIMIS-FYT a conçu le schéma de la configuration expérimentale de l’imprimante 3D. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’AIMIS-FYT.
Même si toutes les opérations se sont avérées fructueuses en apesanteur, l’impression 3D de tiges flottant librement n’a fonctionné que dans une certaine mesure. Sans plaque d’impression comme point fixe, le processus d’impression était instable et susceptible d’échouer. Le moindre écart en microgravité affectait immédiatement la direction de l’extrusion de la résine par la buse. Selon les étudiants, un processus plus stable devait encore être mis au point pour l’opération d’impression en flottaison libre.
Une fois la première campagne de vol terminée, l’ESA a invité l’équipe à effectuer un autre vol, cette fois une “campagne partielle”, qui lui a permis de réaliser les mêmes expériences dans des conditions de gravité lunaire et martienne sur 90 autres paraboles. Kringer et Böhrer ont déclaré que, de manière générale, les expériences d’impression 3D ont montré que toutes les opérations de pression pouvaient être réalisées quelle que soit la gravité, concluant qu'”il n’y a pas vraiment de grandes différences” entre les gravités zéro-g, lunaire et martienne.
L’équipe AIMIS-FYT pendant le vol parabolique. Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’ESA/AIMIS-FYT.
L’équipe a également annoncé qu’elle allait développer une application pour les systèmes spatiaux sur la base des données fondamentales recueillies tout au long des paraboles de vol. L’accent sera mis sur la poursuite des recherches. Par exemple, l’un des plus grands défis consistera à trouver un nouveau matériau pour l’impression en orbite qui puisse être durci dans le vide tout en conservant ses propriétés à la fois à haute et très basse température, et qui ne soit pas attaqué par l’oxygène atomique présent dans l’atmosphère résiduelle de la Terre.
Nous avons vu plusieurs technologies d’impression 3D lancées vers l’ISS, comme la plateforme commerciale basée sur l’extrusion de Made In Space, l’Additive Manufacturing Facility (AMF), ou son installation de fabrication de céramiques. Toutefois, compte tenu du grand nombre de missions prévues en orbite terrestre basse, sur la Lune et sur Mars, le développement de technologies de fabrication additive plus performantes pouvant être utilisées directement en orbite pourrait profiter à l’exploration extra-terrestre à l’avenir, en réduisant les coûts, en offrant une plus grande souplesse de conception et en augmentant la durée de vie de tout projet spatial. L’expérience réussie de l’équipe AIMIS-FYT est un formidable pas en avant, qui prouve une nouvelle fois que la fabrication dans l’espace est possible et pourrait contribuer à façonner l’avenir des vols spatiaux.
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