Sierra Space utilise la technologie FDM pour créer l'outil adéquat

L'espace est un endroit impitoyable. Les températures extrêmes, les radiations et les débris orbitaux sont prêts à causer des ravages sur tout vaisseau spatial mal préparé. Depuis que les humains se sont aventurés au-delà de l'atmosphère protectrice de la Terre, les véhicules utilisés pour s'y rendre et en revenir ont repoussé les limites de l'ingénierie et de la science des matériaux. C'est un défi auquel l'équipe de Sierra Space est confrontée chaque jour, mais armée de la bonne technologie, l'entreprise est bien préparée à le relever.

"Amener l'impression 3D en interne a ouvert les yeux de beaucoup de designers pour qu'ils utilisent et tirent profit de la technologie, en l'utilisant pour différents types de choses."

- Bob Gjestvang, responsable de Sierra Space, ingénieur de fabrication TPS

La bonne solution pour les pièces uniques

Sierra Space construit l'avion spatial Dream Chaser, un véhicule utilitaire multi-missions destiné à transporter des marchandises vers des destinations en orbite terrestre basse comme la station spatiale internationale. En tant que véhicule spatial réutilisable, le Dream Chaser doit supporter la chaleur intense de la rentrée dans l'atmosphère terrestre. Survivre à cette partie critique du vol spatial nécessite un système de protection thermique (TPS). Le TPS forme une couche protectrice à l'extérieur de l'engin spatial, composée de 2000 tuiles résistantes à la chaleur, semblables à celles qui recouvraient la navette spatiale.

Les tuiles sont collées à la peau du Dream Chaser à l'aide de "mandrins", des outils qui permettent de positionner correctement les tuiles et de vérifier la bonne liaison lors des essais de traction. La fabrication traditionnelle de ces mandrins consiste à les couler dans de la résine en utilisant les tuiles thermiques comme moule. Mais comme il faut un mandrin correspondant à chaque tuile, ce processus prend beaucoup de temps et demande beaucoup de travail.

À la recherche d'une meilleure solution, l'équipe de fabrication de Sierra Space a choisi d'imprimer en 3D les mandrins au lieu de les mouler, afin de tirer parti de plusieurs avantages de cette technologie. Pour commencer, l'impression 3D permet une production sans intervention humaine, ce qui évite le long processus de moulage de la résine pour chaque mandrin.

Mandrin de vérification de l'adhérence imprimé en 3D utilisé pour coller et vérifier les tuiles du système de protection thermique

Mandrin de vérification de l'adhérence imprimé en 3D utilisé pour coller et vérifier les tuiles du système de protection thermique

"Si l'on considère le temps qu'il faut pour effectuer tous ces moulages manuels et que l'on fait une étude commerciale sur le temps par rapport au coût de l'impression 3D, l'automatisation de ce processus est un véritable jeu d'enfant ", déclare Bob Gjestvang, ingénieur principal de fabrication TPS chez Sierra Space. En fait, les économies de main-d'œuvre à elles seules ont essentiellement payé l'acquisition de l'imprimante, une Stratasys F900™.

Mais au-delà de l'économie du temps nécessaire au moulage physique de chaque mandrin, Sierra Space a tiré parti de la nature numérique de l'impression 3D pour automatiser le développement de la conception du mandrin. À partir des modèles CAO des tuiles, les ingénieurs ont généré automatiquement les modèles CAO des mandrins, ce qui a permis de gagner du temps pour la conception de chaque mandrin. "Si vous aviez suivi un ancien processus manuel de conception CAO, la fabrication de ces mandrins aurait nécessité des dizaines de milliers d'heures. La seule économie de main-d'œuvre a eu un impact considérable sur le programme", explique M. Gjestvang.

Qualification du mandrin imprimé en 3D

Qualification du mandrin imprimé en 3D

Quand il faut que ce soit juste

Mais ce qui est peut-être encore plus important, c'est la précision que l'impression 3D apporte au processus de fabrication, un facteur essentiel pour la sécurité des vols spatiaux. Comme le dit Gjestvang, "on ne peut pas mettre ce véhicule sur le côté de la route si quelque chose ne fonctionne pas". Cela signifie que Sierra Space doit faire les choses correctement dès la première fois. Le TPS est un système de vol critique sans redondance. Il doit résister à la chaleur de la rentrée dans l'atmosphère. Il est donc essentiel que l'équipe de Sierra Space fasse bien les choses pendant la conception, la construction et les essais, avant le premier vol.

Selon M. Gjestvang, l'impression 3D permet d'atteindre cet objectif de plusieurs manières. "Elle est rapide et rentable, ce qui permet à notre personnel de se concentrer sur d'autres questions au lieu d'effectuer des tâches répétitives. De plus, l'impression 3D nous permet de mettre en œuvre des méthodes et des outils supplémentaires avec plus de précision qu'auparavant." Citons par exemple les pièces de simulateur imprimées pour tester leur emplacement ou l'outillage de précision pour aligner les composants, qui peuvent tous être produits rapidement et efficacement grâce à l'impression 3D. "Ces types d'avantages permettent d'élever le niveau de qualité et de s'assurer que nous faisons les choses correctement", ajoute M. Gjestvang.

Un outil imprimé en 3D aligne le tube à souder sur le boîtier.

Un outil imprimé en 3D aligne le tube à souder sur le boîtier.

Ne pas y retourner

Ne se contentant pas d'éviter le laborieux processus de moulage à la main, les ingénieurs de Sierra Space ont travaillé à perfectionner la conception initiale du mandrin, à la recherche d'économies supplémentaires. L'optimisation de la géométrie de la résistance a porté ses fruits en réduisant l'utilisation de matériaux, mais elle a également permis de réduire de 75 % le temps d'impression initialement prévu. La disponibilité de l'imprimante s'en est trouvée accrue et il n'a pas fallu longtemps pour que d'autres ingénieurs profitent de cette opportunité.

"La mise en place de l'impression 3D en interne a ouvert les yeux de nombreux concepteurs qui ont pu utiliser et tirer parti de la technologie, en l'utilisant pour différents types de choses", explique M. Gjestvang. Selon lui, environ 80 % de l'utilisation de l'impression 3D est maintenant constituée d'autres projets, en dehors de la production de mandrins. Il s'agit de divers types d'outillage, de maquettes et de simulateurs, ces derniers étant des pièces en taille réelle utilisées pour des vérifications d'ajustement ou des tests avant la publication de la conception finale. "Une fois que vous disposez de la technologie et que les ingénieurs y ont accès, ils trouvent des moyens de l'utiliser pour résoudre les problèmes d'une manière différente de celle qu'ils auraient utilisée auparavant", ajoute M. Gjestvang.

Comme d'autres fabricants de l'aérospatiale qui expérimentent les avantages de l'impression 3D avec la technologie FDM®, pour Sierra Space, il n'y a pas de retour en arrière. Au-delà de la production de mandrins de tuiles thermiques et d'autres formes d'outillage, Gjestvang considère la qualification du matériau ULTEM™ pour les pièces de vol comme la prochaine application logique de la technologie. En plus d'être la meilleure solution pour fabriquer efficacement des mandrins de tuiles, la fabrication additive donne à Sierra Space la capacité de faire les choses correctement dès la première fois. Car dans l'espace, il n'y a pas beaucoup de place pour l'erreur.

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