L’impression 3D ne cesse de prendre de l’ampleur dans le secteur aérospatial. Connue pour son appétit technologique, cette industrie a su rapidement comment tirer parti de cette nouvelle méthode de fabrication pour améliorer la performance de ses véhicules et réduire leurs poids. Fut un temps réduite à la phase de développement pour créer des prototypes fonctionnels ou des moules, la fabrication additive se retrouve aujourd’hui associée à l’un des plus grandes réussites de la conquête spatiale. Atterri à la surface de Mars le 18 février 2021, le Rover Perseverance de la Nasa comporte pas moins de 11 pièces métalliques imprimées en 3D.
Illustrant bien le chemin parcouru par la fabrication additive et ses progrès, lorsque son prédécesseur Curiosity avait foulé la planète rouge en 2012, une seule de ses pièces avait été réalisée de manière additive. Il s’agissait d’un composant en céramique monté sur un instrument d’analyse d’échantillons (SAM).
Quand bien même les pièces imprimées pour Perseverance ne constituent pas des éléments critiques qui pourraient mettre en péril la mission s’ils ne fonctionnaient pas, comme la souligné la NASA : « faire voler ces pièces sur Mars est une étape importante qui ouvre un peu plus la porte à la fabrication additive dans l’industrie spatiale. » Lorsque l’on se penche sur la nature des pièces imprimées, on apprend que sur les 11 qui composent l’astromobile, cinq appartiennent à l’instrument PIXL de Perseverance . Abréviation de « instrument planétaire pour la lithochimie aux rayons X », cet appareil aidera le rover à rechercher des signes de vie microbienne fossilisée en projetant des faisceaux de rayons X sur les surfaces rocheuses pour les analyser.
Carpenter Additive, l’entreprise en charge de la fabrication, explique que pour rendre l’instrument aussi léger que possible, l’équipe JPL de la NASA (Jet Propulsion Laboratory), a conçu la coque en titane en deux parties de PIXL, un cadre de montage et deux entretoises de support qui fixent la coque à l’extrémité du bras pour qu’elle soit creuse et extrêmement mince. La société affirme que l’impression 3D a permis d’obtenir des pièces trois à quatre fois plus légères que si elles avaient été produites de manière conventionnelle. « L’impression 3D a rendu cet instrument possible», a déclaré Michael Schein, ingénieur mécanique principal de PIXL chez JPL. « Ces techniques nous ont permis d’obtenir un pointage de faible masse et de haute précision qui ne pouvait pas être réalisé avec une fabrication conventionnelle. »
Coque extérieure de PIXL comprenant plusieurs pièces en titane imprimé en 3D. (Crédits image: NASA / JPL-Caltech)
Les 6 autres pièces imprimées en 3D qui équipent Perseverance se trouvent dans un instrument appelé Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, ou MOXIE. Cet appareil testera une technologie qui, à l’avenir, pourrait produire des quantités industrielles d’oxygène pour créer un propulseur de fusée sur Mars, aidant les astronautes à se relancer sur Terre.
Pour créer de l’oxygène, MOXIE chauffe l’air martien jusqu’à près de 1500 degrés Fahrenheit (800 degrés Celsius). À l’intérieur de l’appareil se trouvent six échangeurs de chaleur – des plaques en alliage de nickel de la taille d’une paume qui protègent les parties clés de l’instrument des effets des températures élevées. Alors qu’un échangeur de chaleur usiné de manière conventionnelle devrait être constitué de deux parties et soudé ensemble, les MOXIE ont été imprimés en 3D en une seule pièce chez Caltech, à proximité, qui gère le JPL pour la NASA.
« Ces types de pièces en nickel sont appelés superalliages car ils conservent leur résistance même à des températures très élevées », a déclaré Samad Firdosy, ingénieur en matériaux chez JPL qui a contribué au développement des échangeurs de chaleur. « Les superalliages se trouvent généralement dans les moteurs à réaction ou les turbines génératrices de puissance. Ils résistent très bien à la corrosion, même lorsqu’ils sont très chauds. »
En dépit de ses nombreux avantages, l’impression 3D métal nécessite un minimum de post-traitement pour arriver à la pièce finale. La NASA explique en effet, que chaque couche d’alliage peut former des pores ou des fissures susceptibles d’affaiblir le matériau. Pour éviter cela, les plaques ont donc été traitées dans une presse isostatique chaude – un concasseur à gaz – qui chauffe le matériau à plus de 1 832 degrés Fahrenheit (1 000 degrés Celsius) et ajoute une pression intense uniformément autour de la pièce. Après quoi, des microscopes et de nombreux tests mécaniques ont été réalisés pour vérifier la microstructure des échangeurs et s’assurer qu’ils étaient adaptés aux vols spatiaux. « J’adore vraiment les microstructures », conclut Samad Firdosy. « Pour moi, voir ce genre de détails au fur et à mesure que le matériau est imprimé et comment il évolue pour créer cette pièce fonctionnelle qui vole vers Mars – c’est très cool. »
Rover martien le plus avancé à ce jour, Perseverance est déjà le cinquième à fouler la planète rouge. Son principal objectif est de rechercher des signes d’une possible ancienne vie microbienne sur Mars en collectant des échantillons du sol martien. Sous son ventre, se trouve un petit hélicoptère, Ingenuity qui testera le premier vol sur Mars. L’été dernier, un fichier STL imprimable en 3D du véhicule avait été mis en ligne par la NASA.
Image radiographique montrant l’intérieur d’un échangeur de chaleur imprimé en 3D dans l’instrument MOXIE de Perseverance. (Crédits image: NASA / JPL-Caltech)
