La mission Mars 2020 ayant dépassé la mi-chemin entre la Terre et sa destination, le Jet Propulsion Lab de la NASA a récemment publié quelques histoires sur les pièces imprimées en 3D qui l’ont fait à bord du rover Perseverance. Niché dans sa coque aérodynamique et prêt pour sa course à gros enjeux sur la surface martienne, Perseverance comporte onze pièces séparées que nous avons créées avec la fabrication additive. Ce n’est pas la première fois qu’un vaisseau spatial vole avec des pièces fabriquées avec une technique de fabrication additive, mais c’est la première fois que JPL crée un véhicule avec autant de pièces imprimées.

Pour examiner de plus près à quoi ressemble l’impression 3D pour les composants qualifiés pour les vols spatiaux, et pour sonder un peu la logique des techniques de fabrication additive par rapport aux techniques de fabrication soustractive traditionnelles, j’ai contacté JPL et j’ai été mis en contact avec Andre Pate, Fabrication additive Chef de groupe, et Michael Schein, ingénieur principal sur l’un des principaux instruments scientifiques de la mission. Ils m’ont gracieusement donné le temps de poser des questions et de me familiariser avec tout ce qui se passe chez JPL en termes de fabrication additive, et de découvrir ce que l’avenir réserve à l’impression 3D et aux vols spatiaux.

Vous avez MOXIE, enfant

Nous avons été vivement intéressés par la mission Mars 2020 en général, avec un intérêt particulier pour l’ingénierie derrière son laboratoire mobile d’astrobiologie et de géologie, Perseverance. En plus des plongées en profondeur dans le système de mise en cache adaptative des échantillons qui scellera les échantillons de régolithes martiens pour une éventuelle mission de retour d’échantillons, et Ingenuity, le premier avion conçu pour fonctionner hors du monde, nous avons profilé le rover Perseverance, qui transportera tout cela équipement autour de la planète rouge. La quantité de science que ce rover est censé accomplir pourrait très bien changer notre perception de Mars et pourrait bien révéler la première preuve définitive de la vie extraterrestre.

Rover Perseverance, avec pièces imprimées en 3D sur PIXL (bout de bras) et MOXIE (côté tribord de la coque). Source: NASA / JPL.

Pour accomplir ces missions, Perseverance comprend un certain nombre d’instruments sophistiqués, dont deux arborent la plupart des pièces imprimées en 3D incluses dans la mission. L’instrument planétaire pour la lithochimie aux rayons X ou PIXL, est conçu pour rechercher au plus profond des roches martiennes des signes de vie fossile. L’expérience d’utilisation in situ des ressources en oxygène de Mars, ou MOXIE, est destinée à tester des technologies de production de quantités illimitées d’oxygène à partir de l’atmosphère martienne, à l’appui du ravitaillement des fusées pour le voyage de retour sur Terre. Les deux instruments contiennent des pièces fabriquées avec des techniques d’impression 3D métalliques avancées, à la fois en interne au centre de fabrication additive de JPL et en externe chez des fournisseurs engagés pour des travaux spéciaux.

Matériaux et méthodes

En plus des imprimantes polymères plus typiques, qui sont principalement utilisées pour le prototypage et l’impression de montages et de gabarits, le laboratoire d’additifs interne de JPL dispose d’une large gamme de technologies disponibles pour l’impression de pièces métalliques. La modalité utilisée dépend beaucoup de l’endroit où la pièce va être utilisée. JPL a également des accords avec des fournisseurs de fabrication additive extérieurs pour imprimer les pièces qu’ils ne peuvent pas faire en interne.

Imprimante à dépôt à énergie dirigée utilisée pour imprimer une pièce au centre de fabrication additive de JPL. Source: NASA / JPL.

Pour les pièces non volantes, l’équipe du JPL utilise principalement le dépôt d’énergie dirigée, probablement la modalité d’impression 3D la plus cool qui soit. Le DED dépend d’un faisceau à haute énergie, soit un laser soit un faisceau d’électrons, dans lequel du métal en poudre ou un fil fin est introduit. L’énergie crée une piscine de métal fondu qui est appliquée à l’impression croissante. Le DED est un peu comme le soudage à l’arc par pulvérisation ou le revêtement laser, avec l’ajout d’un contrôle CNC de la tête d’impression et d’un environnement inerte pour réduire l’oxydation de l’impression en croissance. Le DED présente les avantages de taux de fabrication relativement rapides et de la capacité de créer des fonctionnalités fines, ainsi que d’un besoin minimal d’étapes de post-traitement telles que l’usinage ou le pressage supplémentaires (plus d’informations ci-dessous).

Un autre avantage de DED est que les impressions peuvent être créées avec des alliages dégradés. L’imprimante DED de JPL est une RPM 222XR, qui prend en charge jusqu’à quatre métaux différents en une seule impression. Ceci est similaire à une imprimante FDM qui peut prendre en charge plusieurs filaments et imprimer différentes couleurs ou différents matériaux en une seule impression, mais encore mieux car elle peut faire ce que l’on appelle des alliages à gradient, où une pièce métallique est créée à partir de plusieurs poudres, avec différentes zones de la pièce ayant des propriétés métallurgiques différentes. Par exemple, sur Curiosity, l’arbre en acier d’un actionneur posait des problèmes avec un encodeur magnétique. En imprimant uniquement la partie magnétiquement sensible de l’arbre à partir d’acier inoxydable non magnétique, ils ont pu éviter le problème.

Les pièces destinées à voler sur des engins spatiaux construits par JPL ne sont cependant pas imprimées sur les machines DED internes. JPL se tourne plutôt vers les imprimantes à fusion à lit de poudre pour ses pièces qualifiées pour le vol. Il existe une soupe à l’alphabet d’initialismes pour les processus d’impression sur lit de poudre, y compris le frittage laser sélectif (SLM), la fusion laser sélective (SLM) et le frittage laser direct des métaux (DMLS). La vidéo ci-dessous montre DMLS sur un EOS M290, l’une des trois machines DMLS exécutées par le centre de fabrication additive JPL.

De toutes les méthodes d’impression de polymère de qualité amateur auxquelles nous nous sommes tous habitués, les méthodes de fusion sur lit de poudre sont peut-être les plus étroitement liées à l’impression sur résine par stéréolithographie, ou SLA. Là où les impressions SLA utilisent la lumière pour polymériser la résine photosensible, les imprimantes à fusion sur lit de poudre utilisent un faisceau à haute énergie pour fritter ou fondre les granulés à la surface d’un mince lit de matériau en poudre pour former chaque couche de l’impression. Le faisceau peut être soit un puissant laser à fibre, soit un faisceau d’électrons; JPL peut effectuer des impressions laser en interne, mais passe des contrats avec un fournisseur lorsqu’une pièce doit être imprimée par faisceau d’électrons.

Quelle que soit la source d’énergie utilisée, il y a beaucoup d’ingénierie pour contrôler le lit de poudre de ces imprimantes, car la qualité d’impression est directement liée à la profondeur de la poudre. Lorsqu’une couche est terminée, la plate-forme de construction descend dans un réservoir de la hauteur de couche programmée. Plus de métal en poudre est ensuite ajouté au petit espace au-dessus de la surface du lit en retrait par un mécanisme de raclette complexe qui garantit qu’une couche complètement homogène de poudre fraîche est déposée sur laquelle la couche suivante peut être construite. L’impression accumule une couche à la fois jusqu’à ce qu’elle soit finalement extraite de la poudre libre, débarrassée de toute structure de support et préparée pour le post-traitement.

Post-traitement

Le pressage isostatique à chaud, ou HIP, est un procédé qui a longtemps été utilisé par l’industrie des poudres métalliques pour finir des pièces fabriquées, par exemple, par pressage ou moulage par injection de métal, et plus récemment pour la fabrication additive métallique. Les pièces créées avec l’une de ces techniques comportent nécessairement des vides; quelle que soit la finesse des grains de poudre utilisés pour créer la pièce, les gaz sont toujours piégés dans sa structure. HIP vise à éliminer littéralement ces bulles, en utilisant une combinaison de chaleur extrême – jusqu’à 2000 ° C – et de pression extrême de peut-être 100 MPa ou plus, en utilisant un gaz inerte comme l’argon.

Les pièces soumises au traitement HIP subissent un rétrécissement considérable lors du compactage des pièces. Cela doit être pris en compte au moment de la conception, mais HIP a l’avantage décisif sur le pressage à chaud régulier car il applique une pression uniformément sur la pièce, la réduisant de manière prévisible dans toutes les dimensions. Cela tend à éviter les distorsions dimensionnelles que le pressage traditionnel utilisant des enclumes solides introduit dans les pièces.

Une autre considération dans la fabrication additive de pièces métalliques pour les vols spatiaux est le problème de la «fonderie en boîte». Pour la fabrication soustractive traditionnelle, le matériau de départ est un bloc de métal qui a déjà subi un processus de fonderie. Le métal a été coulé, extrudé ou peut-être forgé, a été traité thermiquement et revenu, et a des propriétés connues en ce qui concerne la résistance, la ductilité et la dureté. Il peut même avoir été radiographié pour révéler des imperfections cachées. Sa structure cristalline est plus ou moins fixe, et il ne lui reste plus qu’à supprimer les bits inutiles pour exposer la partie cachée à l’intérieur.

Pour la fabrication additive, cependant, la pièce métallique qui en résulte n’est pas aussi bien caractérisée. Là où la structure cristalline du matériau de départ dans la fabrication soustractive est à peu près définie, les moyens énergétiques nécessaires pour réaliser l’impression 3D en métal par définition modifient la structure microscopique du matériau de départ. D’où la «fonderie dans une boîte» – le métal d’une pièce imprimée en 3D a été littéralement fabriqué de novo. Pour les pièces qualifiées pour le vol, où potentiellement des milliards de dollars sont en jeu, les ingénieurs doivent tenir compte des régimes chaotiques et énergétiques que les pièces imprimées en 3D ont connu, même brièvement, lors de leur naissance enflammée. Cela ajoute une couche d’incertitude, mais pour la flexibilité offerte par la fabrication additive, ce n’est qu’un coût supplémentaire pour faire des affaires.

Soustractif vs additif

J’ai posé des questions sur l’analyse qui permet de décider si une pièce est fabriquée par des techniques soustractives traditionnelles ou des méthodes additives. En y entrant, j’ai supposé que le coût serait le principal moteur. La NASA et le JPL ont beaucoup fait ces derniers temps pour réduire le coût de l’exploration spatiale, et leurs budgets ont toujours reflété la nécessité de faire de grandes choses importantes pour le moins possible. Et donc, lorsque vous regardez une pièce qui, lorsqu’elle est fabriquée à l’aide de méthodes soustractives, transforme 90% du bloc du stock de départ en puces, les méthodes additives semblent avoir beaucoup de sens. Après tout, si une pièce peut être fabriquée en utilisant un volume de matériau en stock qui correspond à peu près exactement au volume de la pièce finie, les économies de coûts seraient considérables.

La couverture avant de PIXL est l’une des onze pièces imprimées en 3D sur Perseverance. La fabrication additive a rendu cette pièce possible, alors que l’usinage traditionnel aurait été prohibitif. Source: NASA / JPL.

Il s’avère que j’avais tort à ce sujet. Avec des pièces destinées au vol, le coût n’est presque jamais considéré comme un moteur pour passer à la fabrication additive. L’additif est généralement considéré comme une technologie habilitante et est utilisé pour créer des pièces qui ne peuvent pas être créées autrement. L’arbre codeur en alliage à gradient susmentionné en est un parfait exemple – il est difficile de mélanger les propriétés métallurgiques dans une seule pièce avec autre chose que la fabrication additive. Un autre exemple de pièces qui ne sont pas réalisables avec autre chose que des additifs sont les pièces dont la masse doit être réduite au minimum, ou les pièces qui entreront dans un assemblage avec des besoins de refroidissement spécifiques et doivent avoir des canaux de refroidissement intégrés. De telles pièces seraient difficiles à créer de manière soustractive, mais sont beaucoup plus faciles à imprimer en 3D.

La recréation de pièces héritées est un autre domaine où l’additif brille. Nous avons tous entendu des histoires sur la façon dont nous ne pourrions jamais construire une nouvelle version des puissants moteurs F1 du programme Apollo, principalement à cause de la perte de l’expertise et des outils nécessaires à leur construction. Bien qu’il soit peu probable que les moteurs massivement complexes soient reconstruits, la fabrication additive est souvent utilisée pour recréer des pièces qui ne sont plus disponibles. Bien que JPL ne fasse pas grand-chose de cela – ils sont dans l’entreprise de construire l’avenir, après tout – d’autres entités comme l’US Air Force, qui doit garder en vie les avions sortis de la chaîne de montage il y a plus de 60 ans, ont souvent besoin à. Ils numérisent régulièrement des pièces, allant souvent jusqu’à utiliser un scanner CT, et impriment des pièces fabriquées par des fournisseurs depuis longtemps par des machinistes à la retraite depuis des décennies pour faire voler leur flotte.

Pour aussi flexible et puissante que la fabrication additive est dans les applications aérospatiales, on pourrait penser que l’industrie y affluerait en masse. Et bien qu’ils le soient dans une certaine mesure, à bien des égards, c’est une industrie très conservatrice qui regarde sagement un changement radical avec scepticisme. Mais alors que la fabrication additive continue de rendre possible des pièces qui étaient autrefois impossibles, et que JPL continue d’accumuler des missions réussies en utilisant ces pièces auparavant impossibles, elle fera ses preuves et solidifiera sa place en tant que méthode de fabrication de choix pour toutes sortes de missions.

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