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L’expérience d’impression 3D dans l’espace des étudiants fonctionne dans le test Zero-G – 3DPrint.com

Rédigé par Dvd3d

Les progrès de la technologie spatiale et des procédés de fabrication ont contribué à réduire les coûts et à réduire les barrières à l’entrée dans l’espace. Pourtant, l’espace coûte cher. Aujourd’hui, tous les engins spatiaux sont développés, testés et assemblés sur Terre avant d’être lancés en orbite, et il est difficile et coûteux de préparer les composants et les technologies au vol.

Pendant des années, les experts ont proposé l’impression 3D et la fabrication in situ comme une solution viable pour éviter ces coûts. Cependant, outre les technologies avancées de fabrication additive (FA) déployées pour la recherche sur la Station spatiale internationale (ISS), nous n’avons toujours pas vu d’engin spatial construit en orbite. Un groupe d’étudiants universitaires espère changer après avoir réussi à démontrer 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.

Equipe d’étudiants 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) appelé « Fly your Thesis ! » (FYT), qui offre aux étudiants une opportunité unique de proposer, concevoir, construire, tester et piloter leurs recherches dans des conditions de microgravité pendant un vol parabolique. Pour le projet, l’équipe de fabrication additive dans l’espace (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 via le mouvement 3D d’une tête d’impression du développeur de la technologie de dosage ViscoTec et durcis en peu de temps en appliquant une lumière UV.

Impression 3D en apesanteur lors de la campagne de vol parabolique de l’ESA. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’AIMIS-FYT.

En novembre 2020, huit expériences ont décollé 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.

Au cours des 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 pour l’impression. Kringer et Böhrer ont déclaré qu’ils avaient également imprimé des tiges à un angle et testé différentes approches pour la buse au cours des expériences de tige droite. 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 signalé que les tiges à un angle avec surplomb sont beaucoup plus difficiles à imprimer dans des conditions de gravité normales, en apesanteur, les opérations d’impression à un angle « se sont avérées très réussies ».

De plus, certains paramètres du processus d’impression ont été systématiquement modifiés d’un essai à l’autre pour 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 s’envoler pour la campagne de vols paraboliques de l’ESA pour explorer de nouvelles approches de 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 alimentations PULS, notamment les 24V, 10A CP10.241 et 24V très efficaces et compacts, 5A CS5.244 et un adhésif 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 catatonique. Dans le même temps, la résine à durcissement rapide avec peu d’adhésif à retrait de volume a fait ses preuves.

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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 le mouvement de la vipro-HEAD 5. Parallèlement, 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. Avec l’aide de ces données, l’équipe espère mieux contrôler et optimiser le processus d’impression dans les futures expériences.

L’équipe AIMIS-FYT a conçu le schéma de principe du montage expérimental de l’imprimante 3D. Image reproduite avec l’aimable autorisation d’AIMIS-FYT.

Même si toutes les opérations ont été couronnées de succès en apesanteur, l’impression 3D de tiges flottantes n’a fonctionné que dans une certaine mesure. Sans plaque d’impression comme point fixe, le processus d’impression était instable et sujet à l’échec. Toute légère déviation de la microgravité affectait immédiatement le sens d’extrusion de la résine à partir de la buse. Selon les étudiants, un procédé plus stable devrait encore être développé pour l’opération d’impression flottante.

Une fois la première campagne de vol terminée, l’ESA a invité l’équipe pour un autre vol, cette fois une « Campagne Partial-g », qui leur a permis de réaliser les mêmes expériences dans des conditions de gravité lunaire et martienne sur 90 autres paraboles. Kringer et Böhrer ont déclaré qu’en général, les expériences d’impression 3D ont montré que toutes les opérations de pression pouvaient être effectuées à n’importe quelle gravité, concluant qu' »il n’y avait pas vraiment de grandes différences » entre la gravité Zero-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 développerait une application pour les systèmes spatiaux basée sur les principes fondamentaux rassemblés tout au long des paraboles de vol. L’accent sera mis sur d’autres recherches. Par exemple, l’un des plus grands défis sera de trouver un nouveau matériau pour l’impression en orbite qui puisse être durci sous 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 dans l’atmosphère résiduelle de la Terre.

Nous avons vu plusieurs technologies d’impression 3D lancées sur l’ISS, comme la plate-forme commerciale basée sur l’extrusion de Made In Space, l’Additive Manufacturing Facility (AMF) ou son usine de fabrication de céramique. Cependant, avec autant de missions prévues sur l’orbite terrestre basse, la Lune et Mars, le développement de technologies AM plus performantes pouvant être utilisées directement en orbite pourrait profiter à l’exploration extraterrestre à l’avenir, en réduisant les coûts, en offrant plus de flexibilité de conception et en augmentant le durée de vie de tout projet spatial. L’expérience réussie de l’équipe AIMIS-FYT est un formidable pas en avant, prouvant une fois de plus que la fabrication dans l’espace est possible et pourrait contribuer à façonner l’avenir des vols spatiaux.



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