Forger l’avenir avec l’imprimante 3D métal de l’ESA dans l’espace

L’impression 3D métal aura bientôt lieu pour la première fois en orbite. Une imprimante 3D métal pionnière fabriquée en Europe est en route vers le Station spatiale internationale (ISS) sur la mission de ravitaillement Cygnus NG-20 lancée cette semaine.

« Cette nouvelle imprimante 3D imprimant des pièces métalliques représente une première mondiale, à une époque d’intérêt croissant pour la fabrication dans l’espace », explique Rob Postema, responsable technique de l’ESA. « Des imprimantes 3D à base de polymères ont déjà été lancées et utilisées à bord de l’ISS, utilisant une matière plastique chauffée au niveau de la tête de l’imprimante, puis déposée pour construire l’objet souhaité, une couche à la fois.

« L’impression 3D métal représente un défi technique plus important, impliquant des températures beaucoup plus élevées et la fusion du métal à l’aide d’un laser. Il faut donc assurer la sécurité de l’équipage et de la Station elle-même, alors que les possibilités de maintenance sont également très limitées. En cas de succès, la résistance, la conductivité et la rigidité du métal porteraient le potentiel de l’impression 3D dans l’espace vers de nouveaux sommets.

La première imprimante 3D en métal à fonctionner à bord de la Station spatiale internationale vue lors d’essais au sol, produisant un échantillon de pièce conçu par l’ESA. Son développement, dirigé par l’ESA, vise à prouver que l’impression 3D métallique peut être réalisée en apesanteur, ouvrant ainsi la voie à une future capacité de fabrication dans l’espace où les astronautes éloignés de la Terre pourront produire tous les outils ou pièces de rechange dont ils ont besoin. Crédit : Airbus Defence and Space SAS

Imprimer dans l’espace

Le vaisseau spatial Cygnus NG-20, transportant l’imprimante 3D métallique ainsi que 8 200 livres d’enquêtes scientifiques et de fret, s’est amarré à la Station spatiale internationale le 1er février. Une fois déballé, l’astronaute de l’ESA Andreas Mogensen préparera et installera l’imprimante 3D métallique d’environ 180 kg. imprimante dans le European Draw Rack Mark II du module Columbus de l’ESA. Après l’installation, l’imprimante sera contrôlée et surveillée depuis la Terre, afin que l’impression puisse avoir lieu sans la surveillance d’Andreas.

Le démonstrateur technologique de l’imprimante 3D métal a été développé par une équipe industrielle dirigée par Airbus Defence and Space SAS – qui cofinance également le projet – sous contrat avec la Direction de l’exploration humaine et robotique de l’ESA.

« Cette démonstration en orbite est le résultat d’une étroite collaboration entre l’ESA et la petite et dynamique équipe d’ingénieurs d’Airbus », commente Patrick Crescence, chef de projet chez Airbus. « Mais ce n’est pas seulement un pas vers l’avenir ; c’est un pas en avant pour l’innovation dans l’exploration spatiale. Il ouvre la voie à la fabrication de structures métalliques plus complexes dans l’espace. C’est un atout clé pour sécuriser l’exploration de la Lune et Mars.»

Crédit : Airbus

L’imprimante imprimera en utilisant un type d’acier inoxydable couramment utilisé dans les implants médicaux et le traitement de l’eau en raison de sa bonne résistance à la corrosion.

Le fil en acier inoxydable est introduit dans la zone d’impression, qui est chauffée par un laser haute puissance, environ un million de fois plus puissant qu’un pointeur laser moyen. Au fur et à mesure que le fil plonge dans le bain de fusion, l’extrémité du fil fond et du métal est ensuite ajouté à l’impression.

Advenit Makaya, ingénieur en matériaux à l’ESA, de la Direction de la technologie, de l’ingénierie et de la qualité de l’ESA, a fourni un soutien technique au projet : « Le bassin de fusion du processus d’impression est très petit, de l’ordre d’un millimètre de diamètre, de sorte que la tension superficielle du métal liquide le maintient solidement en place en apesanteur. Malgré cela, le point de fusion de l’acier inoxydable est d’environ 1 400 °C, de sorte que l’imprimante fonctionne dans une boîte entièrement scellée, empêchant ainsi l’excès de chaleur ou de fumées d’atteindre l’équipage de la Station spatiale. Et avant que le processus d’impression ne commence, l’atmosphère interne d’oxygène de l’imprimante doit être évacuée vers l’espace, remplacée par de l’azote – l’acier inoxydable chaud s’oxyderait s’il était exposé à l’oxygène.

L’imprimante 3D en métal sera la première fois qu’une imprimante 3D imprimera en métal sur la Station spatiale internationale. L’ESA a engagé Airbus Defence and Space SAS pour produire l’imprimante 3D. Elle comportera un fil d’acier inoxydable qui sera fondu à l’aide d’un laser haute puissance et imprimera quatre impressions, chacune prenant de deux à quatre semaines pour terminer l’impression.
Il a été lancé sur NG-20 le 30 janvier 2024. Crédit : Airbus Defence and Space SAS

Formes et tailles

Quatre formes intéressantes ont été choisies pour tester les performances de l’imprimante 3D Métal. Ces premiers objets seront comparés aux mêmes formes imprimées au sol, appelées impressions de référence, pour voir comment l’environnement spatial affecte le processus d’impression. Les quatre tirages sont tous plus petits qu’une canette de soda, pèsent moins de 250 g par tirage et leur impression prend environ deux à quatre semaines. Le temps d’impression prévu est limité à quatre heures par jour, en raison de la réglementation relative au bruit en vigueur dans la Station spatiale – les ventilateurs et le moteur de l’imprimante sont relativement bruyants.

Une fois qu’une forme a été imprimée, Andreas la retirera de l’imprimante et l’emballera pour un retour en toute sécurité sur Terre pour traitement et analyse, afin de comprendre les différences de qualité d’impression et de performances dans l’espace, par opposition à la Terre.

Une référence et une impression 0xg, qui font partie d’un outil dédié, seront envoyées au Centre des astronautes européens (EAC) à Cologne, en Allemagne. Deux autres seront dirigés vers le cœur technique de l’ESA, le Centre européen de recherche et de technologie spatiales (ESTEC), où une équipe du Laboratoire des matériaux et composants électriques attend les échantillons pour une analyse macro et micro des pièces imprimées. L’impression finale sera envoyée à l’Université technique du Danemark (DTU), qui a proposé sa forme, et étudiera ses propriétés thermiques pour soutenir, par exemple, l’alignement futur des antennes.

Préparer l’avenir

« En tant que projet de démonstration technologique, notre objectif est de prouver le potentiel de l’impression 3D métallique dans l’espace », ajoute Rob. «Nous avons déjà beaucoup appris jusqu’à présent et espérons en apprendre beaucoup plus pour faire de la fabrication et de l’assemblage dans l’espace une proposition pratique.»

L’un des objectifs de développement futur de l’ESA est de créer une économie spatiale circulaire et de recycler les matériaux en orbite pour permettre une meilleure utilisation des ressources. Une solution consisterait à réutiliser les éléments d’anciens satellites dans de nouveaux outils ou structures. L’imprimante 3D éliminerait le besoin d’envoyer un outil avec une fusée et permettrait aux astronautes d’imprimer les pièces nécessaires en orbite.

Tommaso Ghidini, chef du département mécanique de l’ESA, note : « L’impression 3D métallique dans l’espace est une capacité prometteuse pour soutenir les futures activités d’exploration, mais aussi au-delà, pour contribuer à des activités spatiales plus durables, à travers la fabrication, la réparation et peut-être in situ. recyclage de structures spatiales, pour une large gamme d’applications. Cela inclut la fabrication et l’assemblage de grandes infrastructures en orbite ainsi que l’établissement humain planétaire à long terme. Ces aspects constituent des axes clés des prochaines initiatives technologiques transversales de l’ESA.

Thomas Rohr, responsable de la section Matériaux et procédés de l’ESA, ajoute : « Cette démonstration technologique, présentant le traitement de matériaux métalliques en microgravité, ouvre la voie à de futurs efforts visant à fabriquer des infrastructures au-delà des limites de la Terre. »