Des chercheurs américains ont reproduit une roue de rover lunaire robotisé grâce à l’impression 3D.
Le laboratoire national d’Oak Ridge, qui dépend du ministère américain de l’énergie, a franchi une nouvelle étape dans la fabrication additive en imprimant en 3D le même type de roue que celle utilisée par la NASA pour son rover lunaire robotisé.
En utilisant les roues légères existantes de la NASA, conçues pour le Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER), les scientifiques de l’espace ont créé des roues imprimées en 3D qui seront utilisées dans les plans du robot mobile de la NASA pour l’envoyer au pôle sud de la lune en 2024.
La roue imprimée en 3D est un prototype d’un rover qui cherchera de la glace et d’autres ressources potentielles au pôle Sud de la Lune. L’objectif de cette mission spatiale de la NASA est de déterminer l’origine et la distribution de l’eau lunaire dans la perspective de l’exploiter pour soutenir la vie sur la lune.
Même si la roue imprimée en 3D développée par le DOE’s Manufacturing Demonstration Facility, ou MDF, à l’ORNL, ne sera pas utilisée pour la mission lunaire de la NASA, elle permettra d’analyser les spécifications de conception du VIPER. Les scientifiques travaillant sur le projet ont révélé qu’ils avaient prévu des tests supplémentaires pour valider la conception et la méthode de fabrication utilisées pour l’impression 3D des roues. Ce n’est qu’à ce moment-là qu’elles pourront être utilisées directement pour des applications spatiales telles que les rovers martiens ou lunaires.
Réduire les déchets et accélérer la production dans les missions spatiales
En créant des roues de rovers imprimées en 3D, les scientifiques de la NASA ont montré comment la fabrication additive réduit le gaspillage d’énergie et de matériaux lors du développement de missions spatiales. L’impression 3D a également permis de réduire les délais et d’atteindre la complexité de conception et les propriétés des matériaux nécessaires à ces missions.
La société MDF est connue pour développer des technologies et les utiliser dans une série de domaines tels que la fabrication, le transport et l’énergie propre. À l’automne 2022, les chercheurs de MDF ont créé le prototype de roue de rover imprimée en 3D à l’aide d’une imprimante 3D spécialisée équipée de deux lasers coordonnés et d’une plaque de construction rotative pour faire fondre sélectivement la poudre de métal afin d’obtenir la forme voulue.
Les systèmes de FA sur lit de poudre métallique utilisés pour fabriquer la roue du rover imprimée en 3D fonctionnent en créant des couches de poudre sur une planète stationnaire dans une machine de la taille d’une armoire. Un laser est utilisé pour faire fondre sélectivement les couches avant l’abaissement de la plaque. L’ensemble du processus est répété simultanément dans une imprimante 3D suffisamment grande pour accueillir une personne, a révélé Peter Wang, du département des systèmes de fusion laser sur lit de poudre de MDF.
- Wang a également expliqué comment la roue du rover imprimée en 3D « a considérablement augmenté le taux de production avec la même quantité de puissance laser« , car le « dépôt se produit 50 % plus rapidement« .
Selon Wang, il ne s’agit là que d’une « première approche » de ce que peut faire la fabrication additive et il pense que « l’avenir de l’impression sur lit de poudre laser » réside dans cette technologie, en particulier à grande échelle et dans la production de masse.
Jusqu’à présent, l’équipe a publié une étude sur la production de roues de rover imprimées en 3D et analyse l’évolutivité de la technologie pour l’impression de composants tels que les moteurs électriques.
L’imprimante 3D utilisée par les scientifiques était unique par rapport aux autres imprimantes 3D utilisées dans la fabrication additive, mais la clé de la réussite du projet réside dans l’automatisation et le contrôle de la machine. Les chercheurs de l’ORNL ont développé un logiciel spécifique pour « découper la roue » en couches verticales. Ils ont ensuite équilibré la charge de travail entre les deux lasers afin d’imprimer de manière homogène, ce qui leur a permis d’atteindre un taux de production élevé. Les scientifiques ont utilisé à cette fin une technique de calcul qu’ils ont demandé à breveter.
Vers de meilleurs modèles de rayons et un meilleur verrouillage
Brian Gibson, de l’équipe de recherche de l’ORNL, a qualifié le projet de la NASA d' »étape importante » qui a « propulsé la technologie de l’impression 3D vers l’avant ».
« Fabriquée dans un alliage à base de nickel, la roue prototype mesure environ 8 pouces de large et 20 pouces de diamètre, ce qui est beaucoup plus grand que les pièces typiques imprimées avec des systèmes à lit de poudre métallique. Pour la fabriquer, il fallait pouvoir imprimer de petites caractéristiques géométriques réparties sur une grande surface de travail. La fabrication additive a permis une plus grande complexité dans la conception de la jante sans coût supplémentaire ni difficulté de fabrication« , a expliqué M. Gibson.
En revanche, les roues VIPER qui seront utilisées dans le cadre de la mission réelle nécessitent de multiples étapes de fabrication et d’assemblage. Si ce prototype de roue de rover imprimée en 3D s’avère aussi efficace que la jante de 50 pièces de VIPER construite de manière conventionnelle et maintenue par 360 joints rivetés, alors les futurs rovers pourraient être équipés de jantes imprimées en une seule fois, dont la fabrication ne prendrait que 40 heures.
Grâce à l’impression 3D, les chercheurs de l’ORNL et de la NASA ont pu imprimer des caractéristiques de conception précises, telles que des parois latérales inclinées, une forme bombée et une bande de roulement ondulée qui augmentent la rigidité de la roue. L’impression 3D a donc permis d’intégrer à la roue des motifs de rayons complexes et des dispositifs de blocage des rayons de manière simple et rentable.
« Beaucoup de ces caractéristiques ont été ajoutées à la roue pour mettre en évidence ce qu’il est possible de faire avec la fabrication additive« , a déclaré Richard Hagen, ingénieur mécanicien à la NASA. « Elle permet de mettre facilement en œuvre des caractéristiques de conception qui sont difficiles à mettre en œuvre avec un outillage traditionnel ou même une pièce usinée de manière traditionnelle« .
L’adoption de l’impression 3D présente toutefois des difficultés, car l’imprimante 3D spécialisée utilisée par la NASA ne peut traiter que des matériaux tels que l’alliage à base de nickel, ce qui fait que la roue du rover imprimée en 3D est 50 % plus lourde que la roue VIPER en aluminium de même épaisseur.
La NASA prévoit de tester la roue du rover imprimée en 3D dans la cour du Centre spatial Johnson ou dans un « bac à sable » géant composé de roches et de sol lunaires simulés dans un centre d’essai sous-traité, afin d’évaluer sa maniabilité, sa résistance au pivotement, son glissement latéral, son aptitude à gravir les pentes et d’autres paramètres de performance.
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