L'outil idéal quand tout doit être parfait

Découvrez comment Sierra Space a préparé l'avion spatial Dream Chaser ® avec la technologie FDM.

L'espace est un lieu impitoyable. Les températures extrêmes, les radiations et les débris orbitaux peuvent causer à tout moment des ravages sur tout vaisseau spatial mal préparé. Depuis que l’Homme s’est aventuré au-delà de l'atmosphère, qui est la couche d’air 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. Toutefois, armée de la bonne technologie, l'entreprise se dit être bien préparée pour relever ce défi.

« L’introduction de l'impression 3D en interne a ouvert les yeux à de nombreux concepteurs qui ont pu utiliser et tirer parti de la technologie en l'utilisant pour différents types de choses » - Bob Gjestvang, ingénieur principal de la fabrication du TPS chez Sierra Space

La meilleure solution pour concevoir des pièces uniques

Sierra Space est le fabricant de 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, Dream Chaser doit supporter la chaleur intense qui caractérise la rentrée atmosphérique. 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. Elle est composée de 2000 tuiles résistantes à la chaleur, semblables à celles qui recouvrent une navette spatiale.

Les tuiles sont collées à la coque du Dream Chaser à l'aide de « mandrins ». Ces outils permettent de positionner correctement les tuiles et de vérifier leur bonne adhérence lors des essais de traction. Les méthodes de fabrication traditionnelle consistent à couler ces mandrins dans de la résine en utilisant les tuiles thermiques comme moules. Mais comme il faut un mandrin pour chaque tuile, ce processus prend beaucoup de temps et demande beaucoup de travail.

À la recherche d'une meilleure alternative, l'équipe de fabrication de Sierra Space a décidé d'imprimer en 3D les mandrins au lieu de les mouler. Ceci, afin de tirer profit des nombreux avantages de cette technologie. Tout d’abord, l'impression 3D permet une production sans intervention humaine, ce qui évite le long processus de moulage de la résine pour chaque mandrin.

« Si l'on considère le temps nécessaire pour effectuer ces moulages manuels et que l'on fait une étude commerciale du rapport temps/coût de l'impression 3D, l'automatisation du processus coule de source », déclare Bob Gjestvang, ingénieur principal de la fabrication du TPS chez Sierra Space. En fait, les économies réalisées sur la main-d'œuvre à elles seules ont suffi à financer l'achat de l'imprimante, une Stratasys F900™.

En plus de l'économie du temps réalisée, Sierra Space tire aussi parti de la nature numérique de l'impression 3D pour automatiser la conception des mandrins. À partir des modèles CAO des tuiles, les ingénieurs ont généré automatiquement des modèles CAO des mandrins, ce qui a permis de gagner du temps dans la conception de chaque mandrin. « Si vous avez suivi l’ancien processus manuel de conception CAO, la fabrication de ces mandrins aurait nécessité des dizaines de milliers d'heures. Les économies de main-d'œuvre à elles seules ont un impact considérable sur le programme », explique M. Gjestvang.

Quand tout doit être parfait

Mais ce qui est peut-être plus important encore, c'est la précision que l'impression 3D apporte au processus de fabrication. C’est un facteur essentiel pour la sécurité des vols spatiaux. Comme le dit Gjestvang, « on ne peut pas mettre ce véhicule dans l’espace 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 critique qui n’a pas de doublon. Il doit résister à la chaleur de la rentrée atmosphérique. 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 y contribue de plusieurs manières. « Elle est économique en temps et en argent, ce qui permet à notre personnel de se concentrer sur d'autres tâches plus essentielles 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 simulateurs de pièces imprimés en 3D pour tester leur emplacement et l'outillage de précision pour aligner les composants. Ils peuvent être fabriqués rapidement et efficacement grâce à l'impression 3D. « Ces différents avantages permettent d'élever le niveau de la qualité et de garantir que nous faisons les choses correctement », ajoute M. Gjestvang.

Pas de retour en arrière

Ne voulant pas se contenter de la possibilité d'éviter le laborieux processus de moulage à la main, les ingénieurs de Sierra Space ont perfectionné le design initial du mandrin avec l’impression 3D pour bénéficier d'économies supplémentaires. L'optimisation de la géométrie de la résistance a porté ses fruits en réduisant l'utilisation de matériaux. 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 exploitent également cette opportunité.

« L’introduction de l'impression 3D en interne a ouvert les yeux à 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 cet ingénieur, l’impression 3D est actuellement utilisée à plus de 80% pour d'autres projets différents de la production de mandrins. Il s'agit notamment d'outillage, de maquettes et de simulateurs. Ces derniers étant des pièces de 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 bonne technologie et que les ingénieurs y ont accès, ils trouvent des moyens de l'utiliser pour résoudre les problèmes d'une manière différente de ce qu'ils auraient fait auparavant », ajoute M. Gjestvang.

Comme beaucoup de fabricants aérospatiaux qui expérimentent les avantages de l'impression 3D avec la technologie FDM®, Sierra Space dit qu’il n'y a pas de retour en arrière. Au-delà de la production de mandrins de tuiles thermiques et d'outillage, Gjestvang considère que la qualification du matériau ULTEM™ pour les pièces de vol est la prochaine utilisation 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. Dans l'espace, il n'y a pas beaucoup de place pour l'erreur.