Révolutionner le matériel de vol :composants aérospatiaux imprimés en 3D en orbite

Fabrication additive aérospatiale en orbite :ingénierie d'un satellite imprimé en 3D pour le vol

Pendant des décennies, la fabrication aérospatiale a été définie par l’aluminium, le titane et de longs délais de livraison. Les composants structurels ont été usinés, fixés, inspectés et assemblés selon des processus privilégiant la certitude plutôt que la vitesse. 

Alors, que se passe-t-il lorsque la fabrication additive ne consiste pas seulement à prototyper du matériel, mais à voler en orbite ? 

C’est exactement ce qui s’est passé lorsque l’ancien scientifique de la NASA, Tony Boschi, et l’équipe de Sidus Space ont décidé de construire LizzieSat, un satellite partiellement imprimé en 3D conçu pour être lancé à bord de la mission Transporter-9 de SpaceX. 

Ce qu'ils ont prouvé au fil du temps est un élément auquel tout responsable de l'ingénierie devrait prêter attention : 

La fabrication additive aérospatiale n’est plus expérimentale. C'est opérationnel.

Tony Boschi de Sidus Space explique comment l'impression 3D continue en fibre de carbone et les matériaux Markforged ont permis le développement de LizzieSat, un satellite partiellement imprimé en 3D conçu pour des missions multi-industrielles.

La contrainte technique :100 kilogrammes, pas plus

LizzieSat a été conçu selon une limite de masse stricte :le satellite entier doit peser moins de 100 kilogrammes. 

Pour les ingénieurs aérospatiaux, ce chiffre définit immédiatement le problème. 

Les batteries consomment de la masse. Les ordinateurs de vol consomment de la masse. Les systèmes de charge utile consomment de la masse. Les systèmes électriques consomment de la masse. 

La structure est souvent l'endroit où subsistent des opportunités de réduction de poids, mais la structure doit également survivre : 

• Charges de lancement 5G
• Exposition au rayonnement solaire
• Les oscillations thermiques approchent les 200 °C (300 °F)
• Vie orbitale sur plusieurs années 

Lors du lancement, la gravité se multiplie. Un composant interne de cinq livres pèse effectivement 25 livres en 5G. Une structure de 100 livres subit 500 livres de force. Ce cas de charge élimine à lui seul de nombreux matériaux. 

L’équipe Sidus ne cherchait pas à construire un vaisseau spatial à usage unique. Ils envisageaient une plate-forme de bus satellite flexible, capable de prendre en charge plusieurs clients, secteurs et types de missions. Au lieu de lancer des dizaines de satellites spécialisés, LizzieSat pourrait s'adapter à des charges utiles variées. 

Cette flexibilité nécessitait un système structurel léger, solide, rapidement réitéré et fabriqué avec précision. L'usinage traditionnel n'allait pas y parvenir assez rapidement.

Pourquoi la fabrication additive aérospatiale a changé l'équation

Avec la fabrication conventionnelle de l’aluminium, les modifications de conception introduisent des frictions. Les révisions techniques doivent être publiées. Les pièces doivent être réusinées. L'assemblage devra peut-être être retravaillé. Les délais de livraison s'allongent. 

Boschi avait un objectif différent :concevoir à la vitesse de l'innovation. 

À l'aide du Markforged X7, Sidus a commencé à produire des composants structurels renforcés de fibre de carbone continue. Il ne s’agissait pas d’un prototypage cosmétique, mais de matériel structurel. 

Le renforcement continu en fibre de carbone offre une résistance comparable à celle de l'aluminium tout en réduisant considérablement le poids. Plus important encore, la géométrie n’est plus contrainte par la fabrication soustractive. 

Si une conception changeait, sa mise en œuvre ne prenait pas des semaines. 

Cela a pris une journée. 

Boschi décrit clairement la différence :lorsque quelque chose change, l'équipe peut réimprimer un nouveau composant structurel et l'intégrer immédiatement. Pour un programme satellite fonctionnant selon des délais commerciaux agressifs, cette vitesse n’est pas une commodité, c’est un avantage concurrentiel. 

C'est l'avantage qu'offre la fabrication additive aérospatiale :l'itération sans pénalité.

La question de qualification spatiale

Les ingénieurs évaluant la fabrication additive se posent inévitablement la même question : 

Peut-il survivre dans l’espace ? 

Sidus a répondu à cette question avec des données et non des hypothèses. L'équipe a reçu une subvention pour développer une plateforme d'essais en vol, une structure expérimentale qui serait envoyée à la Station spatiale internationale. Ils ont rapidement prototypé des porte-échantillons à l’aide de Markforged Onyx et les ont intégrés à l’expérience. 

Le plan initial prévoyait environ 15 semaines d’exposition en orbite. Au lieu de cela, les pièces sont restées en dehors de l’ISS pendant une année entière. 

Dans l’espace, les matériaux sont soumis à des contraintes constantes. Le rayonnement solaire direct dégrade les polymères. Les cycles de température poussent les matériaux à travers des extrêmes de dilatation et de contraction. Les conditions de vide révèlent les faiblesses. 

Lorsque les échantillons sont revenus sur Terre, certains matériaux présentaient une dégradation visible. 

Les pièces Onyx ne l'ont pas fait. 

Selon Boschi, il n'y avait aucune différence mesurable entre les pièces ayant passé un an dans l'espace et les pièces fraîchement imprimées sur la machine. Aucun compromis structurel. Aucune dégradation de surface. Aucun comportement matériel inattendu. 

Pour la fabrication additive aérospatiale, ce type de validation dans le monde réel compte plus que n’importe quelle fiche technique; il a démontré que des pièces composites imprimées en 3D correctement conçues pouvaient survivre en orbite. 

Cette validation s’étend désormais au-delà des plateformes de test. Avec trois LizzieSats lancés avec succès depuis 2024 et opérationnels en orbite, les composants structurels additifs sont passés des essais d'exposition expérimentaux à une architecture de satellite éprouvée en vol.

Une précision qui permet une nouvelle conception structurelle

L’un des facteurs contribuant le plus à la masse des satellites est le matériel, en particulier les fixations. 

L’équipe de Boschi a commencé à poser une question simple :et si nous pouvions retirer entièrement les vis ? 

En utilisant une liberté de conception additive, ils ont conçu des caractéristiques de fixation à verrouillage de précision directement dans les composants structurels. Les pièces glissent en position et se verrouillent avec des tolérances de l'ordre de dix millièmes de pouce, inférieures à l'épaisseur d'une feuille de papier divisée par trois. 

Ces géométries seraient extrêmement difficiles, voire impossibles, à usiner de manière conventionnelle. Mais avec l’impression 3D à fibre continue provenant d’imprimantes 3D industrielles, elles sont reproductibles et fiables. 

En éliminant le matériel inutile et en intégrant des fonctions de fixation dans la structure elle-même, l'équipe a réduit la masse tout en maintenant l'intégrité structurelle sous les charges de lancement. 

Il ne s'agit pas d'une amélioration progressive, mais d'une refonte structurelle rendue possible par la fabrication additive.

Répondre aux exigences en matière de matériaux aérospatiaux :ignifuge et traçabilité

La force seule ne suffit pas dans l’aérospatiale. La traçabilité et la conformité des matériaux sont essentielles, en particulier pour les programmes spatiaux de défense, gouvernementaux et commerciaux.

Sidus est passé à l'impression de composants structurels en utilisant Onyx FR, un matériau ignifuge, et Onyx FR-A, qui ajoute une traçabilité complète des matériaux. La désignation « A » permet le suivi des lots jusqu'à l'origine de la production, une exigence pour de nombreux systèmes qualité aérospatiaux. 

Si une fissure ou un cisaillement se produit, les ingénieurs peuvent retracer la traçabilité des matériaux, analyser la cause profonde et mettre en œuvre des mesures correctives. Ce niveau de responsabilité aligne la fabrication additive sur les attentes de qualité aérospatiale. 

Pour les responsables techniques responsables de la conformité et de la certification, il s’agit souvent du chaînon manquant dans l’adoption de la fabrication additive pour les applications structurelles. 

Markforged comble cet écart.

Un satellite imprimé en 3D comme plate-forme, pas comme prototype

LizzieSat est conçu pour une durée de mission de cinq ans. Cette longévité reflète la confiance non seulement dans l’électronique du satellite mais aussi dans son intégrité structurelle. 

La signification plus large n’est pas seulement qu’il s’agit d’un satellite imprimé en 3D. 

C’est que la fabrication additive aérospatiale a permis la création d’une plate-forme modulaire capable de servir plusieurs industries et clients. Au lieu de construire un vaisseau spatial sur mesure pour chaque mission, Sidus a créé une architecture flexible. 

Ce type d’évolutivité est essentiel sur le marché spatial commercial en évolution rapide. 

Et il a été construit, testé, lancé et validé à l'aide de l'impression 3D composite à partir d'imprimantes 3D industrielles.

Ce que cela signifie pour les responsables de l'ingénierie

De nombreuses équipes d’ingénierie considèrent encore la fabrication additive comme un outil de prototypage. Quelque chose pour les gabarits, les luminaires ou les modèles conceptuels. 

LizzieSat démontre tout autre chose. 

L'impression 3D aérospatiale peut : 

• Réduire la masse structurelle
• Activer les géométries impossibles à usiner
• Éliminez le matériel grâce à la fixation intégrée
• Accélérer les cycles d'itération de conception
• Répondre aux exigences en matière d'incendie et de traçabilité
• Survivre un an exposé à l'espace 

Pour les responsables techniques qui dirigent des équipes de fabrication avancée, la question n’est plus de savoir si les additifs fonctionnent dans l’aérospatiale. 

Il s’agit de savoir si vos concurrents l’utilisent déjà pour aller plus vite. 

Si vous évaluez la manière dont l'additif s'intègre dans votre feuille de route aérospatiale, découvrez comment Markforged prend en charge les applications critiques dans les domaines de l'aviation, de l'espace et de la défense.

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