Tatiana El Dannaoui, une doctorante de la PSU avec un prototype de radiateur dans une installation d’essai sous vide thermique pour simuler le fonctionnement en environnement spatial (crédits photo : PSU)
Si 3D Systems s’illustre régulièrement pour les usages de ses technologies d’impression 3D polymère et métal dans le secteur de la santé, la société n’hésite pas non plus à se frotter aux exigences de l’industrie spatiale. Le fabricant américain vient de révéler une collaboration avec des chercheurs des universités de Penn State et d’Arizona State sur deux projets parrainés par la NASA, dans le but de proposer des alternatives dites révolutionnaires aux solutions actuelles de gestion thermique
On apprend que le partenariat en question vise plus exactement à résoudre les problématiques liées aux fortes fluctuations de température dans l’espace pouvant endommager les composants sensibles des engins spatiaux et entraîner l’échec de la mission.
3D Systemp explique s’appuyer sur son expertise en fabrication additive, incluant sa technologie à fusion laser sur lit de poudre « DMP », ses matériaux sur mesure et son logiciel Oqton de 3DXpert, pour développer des solutions avancées de gestion thermique visant à relever les défis des satellites nouvelle génération et des missions d’exploration spatiale.
Mené par des chercheurs des universités de Penn State, d’Arizona State et du NASA Glenn Research Center en collaboration avec l’Application Innovation Group (AIG) de 3D Systems, le projet a débouché sur des procédés permettant de construire des caloducs passifs à haute température intégrés dans des radiateurs de rejet de chaleur fabriqués de manière additive en titane.
Les résultats sont significatifs puisque selon 3D Systems, ces radiateurs à caloducs sont 50 % plus légers, avec des températures de fonctionnement plus élevées par rapport aux radiateurs actuels de pointe, ce qui leur permet de diffuser la chaleur plus efficacement pour les systèmes à haute puissance.
« Les prototypes de radiateurs à caloducs titane-eau ont fonctionné avec succès à des températures de 230 °C et pèsent 50 % de moins (3 kg/m2 contre plus de 6 kg/m2), ce qui répond aux objectifs de la NASA en matière d’efficacité du transfert de chaleur et de réduction des coûts de lancement pour les applications spatiales. » se félicite 3D Systems.
Et il y a plus intéressant encore, puisqu’on apprend qu’un projet mené par des chercheurs de l’université de Penn State et du NASA Glenn Research Center[2] avec l’AIG de 3D Systems a abouti à un processus de fabrication additive de l’une des premières pièces fonctionnelles utilisant des alliages à mémoire de forme nickel-titane (nitinol) pouvant être actionnée et déployée passivement lorsqu’elle est chauffée.
Ce radiateur passif en alliage à mémoire de forme (SMA) devrait permettre d’obtenir un rapport entre la surface déployée et la surface stockée 6 fois supérieur à celui des solutions actuellement disponibles ; il sera ainsi possible de réaliser de futures missions scientifiques et de communication à haute puissance dans un volume restreint de CubeSat.
Lorsqu’ils sont déployés sur des engins spatiaux, tels que les satellites, ces radiateurs peuvent augmenter le niveau de puissance de fonctionnement et réduire les contraintes thermiques sur les composants sensibles, permettant ainsi d’éviter les pannes et de prolonger la durée de vie des satellites.
« un rapport projeté entre la surface déployée et la surface stockée 6 fois supérieur à celui du radiateur de pointe et 70 % plus léger »
Concept de radiateur en alliage à mémoire de forme (SMA) fabriqué de manière additive avec des branches de caloduc radiales se déployant à partir d’une forme compacte et rangée ; b. Prototype de démonstrateur SMA avec bras de caloduc à soufflet hautement souple ; c. Image thermique d’un caloduc à soufflet à ramification SMA, montrant un fonctionnement quasi isotherme. Image via PSU.
Traditionnellement, les caloducs qui sont des systèmes destinés à transporter la chaleur grâce au principe du transfert thermique par transition de phase d’un fluide, sont fabriqués selon des processus complexes afin de former des structures internes poreuses qui font circuler passivement le fluide pour un transfert de chaleur efficace.
Les protagonistes expliquent qu’en utilisant le logiciel Oqton de 3DXpert®, sont parvenus à intégrer un réseau poreux intégral dans les parois des caloducs, évitant ainsi des étapes ultérieures de fabrication et une variabilité en résultant. Les radiateurs à caloducs monolithiques ont été fabriqués en titane et en nitinol via la technologie DMP de 3D Systems.
Les équipes Penn State/NASA Glenn et celles 3D Systems ont également collaboré pour développer un système de fabrication additive métallique visant à produire des radiateurs à déploiement passif avec des alliages à mémoire de forme. Ils expliquent que La chimie de ces matériaux peut être ajustée pour changer de forme sous l’effet de la chaleur, et que les SMA peuvent supporter des cycles de déformation répétés sans fatigue et présentent une excellente récupération des contraintes.
L’équipe a de nouveau utilisé 3DXpert pour concevoir la structure des rayons déployables du radiateur. Celle-ci a ensuite été imprimée en 3D en nitinol (NiTi), un alliage à mémoire de forme nickel-titane, à l’aide de la technologie DMP de 3D Systems. Quand il est fixé à un engin spatial tel qu’un satellite, ce dispositif peut être actionné et déployé passivement lorsqu’il est chauffé par un fluide à l’intérieur, ce qui supprime le besoin de moteurs ou d’autres moyens d’action conventionnels dans l’espace.
« Le radiateur passif en alliage à mémoire de forme mis au point par l’équipe offre des avancées transformatrices avec un rapport projeté entre la surface déployée et la surface stockée 6 fois supérieur à celui du radiateur de pointe (12× contre 2×) et 70 % plus léger (<6 kg/m2 contre 19 kg/m2). » a déclaré 3D Systems.
« Notre partenariat R&D de longue date avec 3D Systems a permis de mener des recherches pionnières sur l’utilisation de l’impression 3D pour les applications aérospatiales », a ajouté Alex Rattner, professeur associé à l’université Penn State. « L’expertise collective de l’ingénierie d’aérospatiale et de la fabrication additive nous permet d’explorer des stratégies de conception avancées qui repoussent les limites de la conception de pointe. Lorsque nous ajoutons à cela les capacités logicielles de 3DXpert ainsi que l’environnement à faible teneur en oxygène de la plateforme DMP de 3D Systems, nous sommes en mesure de produire des pièces inédites dans des matériaux originaux qui permettent d’améliorer considérablement les performances. »
Selon Research and Markets, le marché mondial de la fabrication additive dans l’industrie de l’aérospatiale était estimé à 1,2 milliard de dollars en 2023 et devrait atteindre 3,8 milliards de dollars d’ici 2030. La fabrication additive a un impact significatif en permettant la production de pièces avionnables avec un poids réduit et des performances améliorées.
Rien qu’au cours de la dernière décennie, 3D Systems a travaillé aux côtés des leaders de l’industrie de l’aérospatiale pour produire plus de 2 000 composants structurels en titane ou en alliage d’aluminium pour les vols spatiaux, et plus de 200 pièces passives de radiofréquence critiques pour les vols. Plus de 15 satellites sont actuellement en orbite avec à leur bord du matériel de vol produit par 3D Systems.
Dans une tribune publiée en exclusivité sur PRIMANTE3D, 3D Systems disait observer une croissance continue des pièces dont la production est limitée ou abandonnée, mais qui sont toujours nécessaires pour les activités de maintenance, de réparation et de révision (MRO). Le géant américain estime que la fabrication additive « peut contribuer à augmenter rapidement la capacité de production en limitant les obstacles techniques associés à l’utilisation d’une nouvelle technologie« .
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