La NASA et l'impression 3D : comment la NASA imprime des outils en 3D dans l'espace

En 2016, la NASA a imprimé en 3D un outil multifonction à bord de la Station spatiale internationale qui avait été conçu par un adolescent du secondaire. L'outil de maintenance de précision polyvalent (MPMT) est une illustration fantastique de ce que l'impression 3D peut faire, tout en constituant une histoire d'ingénierie inspirante.

À mesure que l'impression 3D devient de plus en plus courante et plus performante, elle ouvre de nouvelles possibilités de fabrication et de conception, en particulier en ce qui concerne les outils d'impression 3D pour différentes applications. Qu'y a-t-il de plus passionnant que les outils d'impression 3D dans l'espace ?

Chez Accu, nous avons l'habitude d'aller hardiment là où aucun fournisseur de vis n'est allé auparavant. Nous proposons toute notre gamme de fixations de précision couplées à des fichiers CAO prêts à être imprimés en 3D. Nous sommes impatients de voir comment d'autres innovent dans l'espace, ou, dans ce cas, dans l'espace réel. Dans cet article, nous explorons comment la NASA utilise l'impression 3D pour fabriquer les outils dont elle a besoin en orbite, le chemin parcouru par l'impression 3D de la NASA en dix ans et ce que cette technologie pourrait rendre possible ensuite.

Contenu :

• Exploration de l'outil de maintenance de précision polyvalent : l'outil multifonction imprimé en 3D de la NASA

• Comment imprimer des outils en 3D en apesanteur

• Pourquoi l'impression 3D de la NASA est importante

• Dix ans plus tard : de l'impression 3D sur polymère à l'impression 3D sur métal

• Une décennie de jalons en matière de fabrication dans l'espace

• Principaux points à retenir

• FAQs

Exploration de l'outil de maintenance de précision polyvalent : l'outil multifonction imprimé en 3D de la NASA

L'histoire de cet outil de maintenance de précision polyvalent est aussi intéressante que l'outil lui-même. Contrairement à ce que l'on pourrait penser, il n'a pas été conçu par la NASA mais par un lycéen du nom de Robert Hillan d'Enterprise, en Alabama. Son design a été choisi parmi les milliers de candidatures au concours de conception Future Engineers Space Tool en 2014. Le concours, organisé en collaboration entre la Division des systèmes d'exploration avancés de la NASA et la Fondation de l'American Society of Mechanical Engineers (ASME), visait à encourager la prochaine génération d'ingénieurs et de passionnés de l'espace à réimaginer à quoi pourrait ressembler un outil multifonction pour des applications en apesanteur.

Le design de Hillan, que vous pouvez voir ci-dessous, intègre de nombreux outils et astuces de conception utiles dans un ensemble extraordinaire :

 

L'outil de maintenance de précision polyvalent comprend :

• Douilles de taille impériale pour la fixation d'écrous hexagonaux.

• Pinces à dénuder

• Règle métrique.

• Trous de jauge de mesure pour fils.

• Disques ¼ de pouce et 5 pouces pour connecter différentes prises.

• Une prise en main ergonomique.

• Espace pour fixer le velcro afin de maintenir l'outil en toute sécurité et trou pour accueillir un mousqueton pour la fixation, si vous le souhaitez.

• Un faible poids total, environ 31 g, selon le matériau utilisé.

• Possibilité d'impression sur une gamme de matériaux adaptés à l'application.

Le génie de la conception de Hillan réside dans le fait qu'elle permet non seulement de résoudre plusieurs défis techniques liés à la maintenance de routine, mais aussi de s'adapter intelligemment aux défis liés à la vie et au travail à bord d'un vaisseau spatial en orbite.

Les outils réglables nécessitent des pièces mobiles, mais cela entraîne des tolérances supplémentaires, des complications et une marge d'usure supplémentaires, ce qui augmente les risques de défaillance. Il n'y a aucune pièce mobile sur le MPMT, tout est moulé sur l'outil pour éviter qu'il ne se détache par inadvertance. À bord d'un vaisseau spatial en apesanteur, les pièces détachées peuvent rapidement se perdre ou, pire encore, devenir des débris étrangers (FOD). Le FOD représente un risque majeur pour les éléments mécaniques exposés et les composants électroniques délicats.

Cela est également lié à la nécessité de disposer de points de fixation par velcro et mousqueton, qui permettent de fixer l'outil. Les poches ne fonctionnent pas en apesanteur comme sur Terre, les outils doivent être sécurisés en les fixant à quelque chose. Les points de fixation constituent un moyen intelligent d'empêcher l'outil de flotter entre les utilisations.

Enfin, observez la forme de l'outil lui-même. Il est carré, malgré sa prise en main ergonomique bien pensée. Mais sa forme n'est pas fortuite, elle est intelligemment conçue pour être utilisée d'une seule main. Pourquoi ? Parce que lorsque vous travaillez en apesanteur, vous devez vous ancrer à quelque chose pour pouvoir réellement utiliser un outil. Vous ne pouvez pas tourner un tournevis si l'action de le faire fait tourner tout votre corps et le faire basculer. Ainsi, cet outil de maintenance de précision polyvalent vous permet de garder les mains libres pour tenir une cloison, une poignée ou un support pendant que vous serrez un écrou, enfoncez une vis ou dénudez un fil.

Ce sont ces caractéristiques, au-delà des aspects pratiques de l'outil lui-même, qui font du MPMT une telle merveille d'ingénierie. Le fichier lui-même est également minuscule, ce qui permet de l'envoyer via un mécanisme de livraison très familier : le courrier électronique. Le fichier a été envoyé en pièce jointe via une liaison de données sans fil jusqu'à l'ISS, où il pouvait être téléchargé et imprimé directement.

Nous avons créé un tableau comparatif qui illustre la comparaison entre cet outil de maintenance de précision polyvalent et ses fonctionnalités par rapport à ses homologues plus traditionnels :

Il ne faut pas oublier que le réapprovisionnement n'est jamais rapide. Le calendrier de lancement de la NASA est serré et les vols cargo de SpaceX sont réservés des mois à l'avance, de sorte que tout outil qui n'est pas déjà à bord de l'ISS peut mettre des mois à arriver. Si quelque chose se brise ou si l'équipage a besoin d'un outil qu'il n'a pas à portée de main, l'impression à la demande transforme une attente de plusieurs mois en quelques heures.

Comment imprimer des outils en 3D en apesanteur

La conception de Hillan a résolu de nombreux problèmes d'ingénierie sur le papier, mais il restait un énorme obstacle à son utilisation : l'impression 3D d'un outil dans l'espace.

Dans le cadre de ce défi, le design gagnant devait se frayer un chemin jusqu'à l'ISS, indépendamment de tout lancement de fusée. Grâce au transfert de fichiers numériques, le dessin a été transmis à la station, où les imprimantes 3D de l'usine de fabrication additive (AMF) l'ont fabriqué.

Les imprimantes 3D en orbite sont remarquablement similaires à leurs homologues terrestres. Ils utilisent tous deux le même procédé, connu sous le nom de FDM (Fused Deposition Modelling).

Le FDM consiste à faire passer un filament en plastique à travers une buse de précision à haute température, qui fait partie de la tête d'outil de l'imprimante. La tête d'outil se déplace sur un axe tridimensionnel pour extruder le filament chauffé, formant ainsi le dessin en couches horizontales. Il ne s'agit pas d'une nouvelle technologie, mais il ne s'agissait que d'une possibilité théorique de l'utiliser dans l'espace jusqu'à la réalisation des premières impressions en microgravité en 2014.

L'impression en apesanteur présente certains défis qui ne sont pas présents sur Terre.

• Adhérence des couches en microgravité : la gravité elle-même facilite le processus de superposition, en aidant à maintenir le plastique extrudé en place pendant qu'il adhère. Sans sédimentation gravitationnelle, la liaison des couches repose entièrement sur le contrôle thermique de la bille extrudée et du lit d'impression. L'AMF utilise une chambre de fabrication chauffée pour maintenir la température entre les couches.

• Confinement des matériaux : le contrôle des matériaux est d'autant plus essentiel, car sans gravité, le plastique en vrac pourrait simplement flotter après avoir été extrudé. Pour résoudre ce problème, l'AMF imprime à l'intérieur d'un boîtier étanche, non seulement pour protéger l'équipage contre les vapeurs de polymère chauffées, mais aussi pour protéger les instruments délicats à bord de l'ISS contre les filaments parasites.

• Convection : la dissipation thermique de l'imprimante est également un défi à prendre en compte, tout comme le fait de travailler avec des consommables extrêmement limités. Sur Terre, l'air chaud s'élève en s'éloignant d'une empreinte, refroidissant la couche extrudée. En microgravité, cependant, il n'y a pas de convection naturelle. L'AMF utilise la circulation d'air forcée pour gérer cela. Sans elle, la tête d'impression resterait dans une bulle de sa propre chaleur.

Heureusement, les imprimantes AMF sont conçues pour relever ces défis. L'impression a été un succès et l'outil de maintenance de précision polyvalent a été utilisé. Cela représente non seulement un moyen fantastique d'impliquer les futurs ingénieurs, mais ouvre également de nouvelles options intéressantes pour la fabrication en orbite terrestre basse.

Pourquoi l'impression 3D de la NASA est importante

Alors, pourquoi les outils d'impression 3D de la NASA sont-ils importants dans l'espace ? La réponse est une question d'utilité et de possibilité.

L'un des plus grands défis de l'exploration spatiale est que, pour qu'un objet soit disponible dans l'espace, il doit d'abord y arriver. Cela peut sembler évident, mais lorsqu'il s'agit de lancer un vaisseau spatial, cela devient un cauchemar logistique.

Sur Terre, c'est un problème résolu. Un ingénieur qui a besoin d'un élément de fixation spécifique peut l'avoir sur le banc le lendemain à l'aide d'AccuPro. En orbite, aucune de ces chaînes d'approvisionnement n'existe... pour l'instant.

Pour le lancement d'une fusée, chaque aspect et chaque dimension d'un objet doivent être pris en compte et soigneusement conçus. Non seulement il prend de la place, ce qui est déjà très onéreux, mais il ajoute du poids. Ce poids nécessite une poussée supplémentaire pour être soulevé, ce qui nécessite à son tour plus de carburant.

Chaque kilogramme a un impact significatif sur le coût de l'atteinte de l'orbite et au-delà. Un kilogramme de fret lancé vers l'ISS coûte plus de 20 000 dollars à expédier, selon les chiffres de la NASA. Cela signifie qu'une boîte de clés de rechange expédiée au cas où elles seraient nécessaires représente des dizaines de milliers de dollars immobilisés « au cas où ».

Tout cela signifie que tout ce qui va dans l'espace doit mériter sa place. Même si c'est un plaisir d'avoir un atelier équipé de clés ou de clés Allen de toutes les tailles imaginables, ou de plusieurs pièces de rechange pour chaque attache, à bord d'un vaisseau spatial orbital ou d'une station spatiale, ce n'est tout simplement pas possible.

C'est là qu'intervient l'impression 3D. Plutôt que de tout remplacer par redondance, une fois qu'un besoin est identifié pour un outil ou un composant, celui-ci peut être imprimé à l'AMF. Plutôt que de parier sur ce qui pourrait être nécessaire et d'essayer de deviner les défaillances des composants ou les besoins de maintenance, la NASA peut les imprimer en 3D selon les besoins. Si un outil tombait en panne avant aujourd'hui, il faudrait attendre des mois avant de pouvoir le remplacer. Grâce à cette technologie, ils peuvent en créer une nouvelle sur l'imprimante en quelques heures.

Non seulement c'est beaucoup plus pratique, mais cela permet également de réduire considérablement le poids. Au lieu de stocker plusieurs outils, composants et fixations de rechange, la NASA les imprime en 3D. Cela provient de leur stock de filaments, ce qui leur permet de gérer une bibliothèque contenant potentiellement des milliers d'articles possibles sans avoir besoin de les stocker, de les organiser et de les entretenir.

Dix ans plus tard : de l'impression 3D sur polymère à l'impression 3D sur métal

Bien entendu, tous les outils ou composants ne peuvent pas être fabriqués en plastique. Même les matériaux d'ingénierie de haute performance tels que l'ABS, utilisé pour imprimer l'outil de maintenance de précision polyvalent, présentent des compromis. Les outils de la NASA doivent être fabriqués à partir de divers matériaux, le métal étant nécessaire pour les applications plus exigeantes et spécialisées.

Les avancées importantes de la technologie d'impression 3D signifient aujourd'hui que la possibilité d'imprimer en métal plutôt qu'en plastique n'est plus de la science-fiction. Contrairement à l'impression FDM, le métal peut être imprimé en 3D à l'aide d'un procédé appelé dépôt énergétique dirigé. Le métal, au lieu d'un filament, passe par la tête de l'outil sous forme de poudre ou de fil, où il est fondu et fusionné en un solide à l'aide d'un laser.

Les composants métalliques imprimés en 3D sont disponibles dans différents alliages, en fonction des exigences de l'application. Le titane, l'aluminium et l'acier peuvent tous être utilisés dans une imprimante appropriée pour produire une variété d'outils ou de composants.

Ce qui est remarquable ici, et en ce qui concerne l'impression 3D au-delà de l'outil multifonction de la NASA, c'est qu'il est déjà en place. L'usine de fabrication additive a déjà été modernisée à plusieurs reprises depuis son installation initiale et, en 2024, l'ISS a reçu une imprimante 3D capable d'imprimer des objets métalliques. Ils l'utilisent déjà pour produire des empreintes de test, ce n'est donc plus une idée théorique. C'est une réalité pratique.

Il s'agit d'une étape extrêmement importante. Avec toute la durabilité des polymères tels que l'ABS, ils ne peuvent pas résister aux conditions présentes à l'extérieur d'un vaisseau spatial. Les températures peuvent varier entre -150 °C dans l'ombre et +120 °C lorsqu'elles sont exposées à la lumière directe du soleil en orbite terrestre basse. Dans de telles conditions, les polymères subiraient au mieux un fluage ou au pire se briseraient, ce qui signifie que le métal est le seul matériau capable de résister aux fluctuations thermiques. C'est le seul choix viable pour produire des pièces de rechange capables de fonctionner sous une charge extrême.

Prochaine étape : la prochaine décennie pour la fabrication en orbite

Si les dix premières années de fabrication en orbite répondaient « pouvons-nous ? » , les dix suivants répondront « combien ? » , « Quelle est sa taille ? » et « à quelle distance de la Terre ? » L'outil de maintenance de précision polyvalent a prouvé qu'un outil en polymère pouvait être conçu sur Terre et imprimé à la demande dans l'espace. L'imprimante métallique 2024 a prouvé que le même flux de travail pouvait gérer les alliages structuraux grâce à l'impression sur métal. Chaque étape a permis de réduire l'écart entre un ingénieur qui pense à une pièce et un astronaute qui la tient. Le travail consiste maintenant à combler davantage cette lacune et à déplacer le flux de travail plus loin de l'orbite terrestre basse.

Des structures plus grandes, imprimées en orbite

La progression naturelle passe des outils d'impression au matériel structurel d'impression. Les fermes, les perches d'antenne, les supports et les panneaux d'habitat sont tous des candidats, en particulier lorsqu'ils sont trop grands pour contenir la cargaison en vue du lancement dans leur forme finale. Des programmes tels que Archinaut de Made In Space, acquis depuis par Redwire, ont déjà extrudé des poutres structurelles lors de tests en chambre à vide afin de simuler des environnements en apesanteur. Les avantages techniques sont importants car les composants construits en orbite peuvent être conçus pour les charges auxquelles ils sont réellement confrontés, plutôt que pour les charges beaucoup plus élevées lors du lancement.

Matériaux en circuit fermé et recyclage

L'expérience Refabricator de 2019 a prouvé que les déchets polymères de l'ISS peuvent être rebroyés et réextrudés en filament neuf pour l'impression 3D. À plus grande échelle, il s'agit de la première étape vers une économie circulaire des matériaux en orbite. Pour les missions à destination de Mars, où chaque kilogramme de matière première est expédié à grands frais, le recyclage devient encore plus essentiel. Les impressions qui ont échoué ou même les outils qui ont atteint leur objectif et qui ne sont plus nécessaires peuvent être recyclés pour devenir des outils ayant une nouvelle utilité.

Fabrication lunaire et martienne

C'est là que la technologie devient véritablement transformatrice. L'architecture Moon-Mars de la NASA a fait apparaître des recherches sérieuses sur la construction basée sur le régolithe, utilisant de la poussière lunaire ou martienne comme matière première au lieu d'agrégats expédiés depuis la Terre, comme cela a déjà été utilisé dans l'impression 3D du béton. Les habitats, les aires d'atterrissage et les abris contre les radiations sont tous sur la table. Les essais terrestres avec des simulants de régolithes produisent déjà des empreintes de test structurellement solides.

La fin du problème de réapprovisionnement

L'argument économique qui a justifié le MPMT ne fait que gagner en poids à mesure qu'une mission s'éloigne de la Terre. Un support cassé sur l'ISS est un inconvénient. La même interruption sur un véhicule à destination de Mars est essentielle à la mission, car aucune option de réapprovisionnement n'est possible. La fabrication en orbite n'est pas uniquement utile pour les missions de longue durée. C'est peut-être la seule réponse viable.

Rien de tout cela ne se produira sans que des ingénieurs soient prêts à concevoir pour un environnement qu'ils ne visiteront jamais. Ce qui soulève la question évidente : d'où viennent ces ingénieurs ?

La réponse provient de concours tels que Future Engineers auxquels Robert Hillan a participé et remporté. Les étudiants et les organisations, comme Accu, qui les soutiennent et les soutiennent soutiennent la prochaine génération d'ingénieurs, qui étudieront les problèmes des vols spatiaux et trouveront des solutions innovantes et brillantes.

Une décennie de jalons en matière de fabrication dans l'espace

La dernière décennie de fabrication dans l'espace se décompose en une séquence claire de premières, allant de la validation de concept à la structure métallique. Voici un aperçu des principaux développements dans ce domaine :

Principaux points à retenir

L'outil de maintenance de précision polyvalent de la NASA montre le chemin parcouru par l'impression 3D : un design envoyé depuis la Terre, imprimé sur commande en orbite et mis directement en œuvre. La même approche à la demande est en train de changer la façon dont les ingénieurs travaillent sur le terrain. C'est pourquoi Accu propose un modèle CAO téléchargeable pour chaque composant standard de la gamme de plus de 750 000 composants de précision que nous stockons. Vous pouvez imprimer une pièce en 3D pour la prototyper et vérifier son ajustement avant de passer à l'article fini. Que l'atelier soit un banc ou l'ISS, le principe reste le même : fabriquez ce dont vous avez besoin, quand vous en avez besoin.

• Le MPMT a été le premier outil conçu par des étudiants et imprimé dans l'espace. Ce ne sera pas le dernier outil conçu par les étudiants et imprimé dans l'espace.

• Les outils d'impression 3D en microgravité sont passés de la phase de validation de concept à la réalité opérationnelle en un peu plus de dix ans. L'histoire de la NASA et de l'impression 3D est une histoire de progrès progressifs mais transformateurs.

• Les raisons économiques qui ont justifié un outil multifonctions en polymère en 2016 justifient la fabrication de pièces structurales métalliques aujourd'hui et justifieront la fabrication sur Mars au cours des deux prochaines décennies.

• La prochaine génération d'ingénieurs ne conçoit plus pour la Terre. Ils conçoivent pour l'orbite dès le premier jour.

Lectures complémentaires :

• Le rapport sur la course à l'espace : qui gagne et à quel prix ?

• Le rapport sur les débris spatiaux.

• Comment construire votre propre sabre laser avec des composants d'ingénierie de précision.

• Vaisseau spatial Star Wars classé par un ingénieur.

FAQs

Q : Qui a conçu l'outil de maintenance de précision polyvalent ?

R : L'outil de maintenance de précision polyvalent a été conçu par Robert Hillan, un lycéen d'Enterprise, en Alabama, à l'automne 2014. Il était en deuxième année à l'UAH (Université de l'Alabama à Huntsville) lors de l'édition de juin 2016. Il a conçu le multitool imprimé en 3D pour le concours de conception Future Engineers Space Tool et a été annoncé comme gagnant en 2015.

En tant que gagnant, il a pu entrer dans les coulisses et regarder l'outil sortir de la chaîne de production via une liaison vidéo en direct depuis le centre d'intégration des opérations de charge utile du Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama.

Q : Quel a été le premier outil imprimé en 3D dans l'espace ?

R : L'outil de maintenance de précision polyvalent n'a pas été le premier objet imprimé dans l'espace, ni le premier outil imprimé dans l'espace, bien qu'il représente une innovation significative dans les deux cas.

Le premier objet imprimé en 3D dans l'espace était une petite plaque frontale portant la mention « Made In Space », le nom d'une société engagée par la NASA pour prouver que l'impression 3D fonctionnerait en microgravité. Il a été imprimé en 2014 et a été conçu pour être apposé sur la face avant de l'imprimante elle-même.

Le premier outil imprimé en 3D dans l'espace était une clé à cliquet, également imprimée par Made In Space sur l'imprimante qu'ils ont conçue. Il a été conçu par Noah Paul-Gin de Made In Space et envoyé par courrier électronique à l'ISS, le même système de distribution utilisé pour acheminer la conception de l'outil de maintenance de précision polyvalent à la station.

Q : De quel matériau ont été fabriqués les premiers objets imprimés en 3D dans l'espace ?

R : La plaque Made In Space et la clé à cliquet ont été imprimées en plastique ABS à filament, ce qui les rend résistantes et durables. Il est important de noter que les fichiers pour les imprimer ont été créés sur Terre et envoyés à l'ISS via une liaison de données.

Cette impression à la demande éprouvée pourrait être pilotée à partir de zéro, où les dessins peuvent être affinés et prototypés librement avant que le fichier final ne soit envoyé à l'AMF pour impression.

Q : Quelle imprimante 3D la NASA utilise-t-elle à bord de l'ISS ?

R : La Station spatiale internationale a accueilli plusieurs imprimantes 3D au cours de la dernière décennie. L'outil de fabrication additive (AMF), construit par Made In Space, a été acquis depuis par Redwire et installé sur l'ISS en mars 2016. L'AMF imprime dans une gamme de polymères de qualité spatiale, notamment l'ABS, le polyétherimide et le polyéthylène haute densité. C'est l'imprimante qui a produit l'outil de maintenance de précision polyvalent en juin 2016.

Pour l'impression sur métal, l'ISS a pris livraison d'une machine distincte en janvier 2024. Construite par Airbus Defence and Space pour l'Agence spatiale européenne, cette imprimante 3D métallique utilise un laser pour faire fondre le fil d'acier inoxydable et le déposer couche par couche. Il a produit ses premiers échantillons d'essai et représente une étape importante par rapport à la fabrication de polymères uniquement en orbite.

Les deux imprimantes reçoivent leurs fichiers de conception de la même manière que l'outil de Robert Hillan est arrivé à la station : par liaison de données depuis la Terre.

Q : Où puis-je télécharger les outils de la NASA pour les imprimer en 3D ?

R : Le fichier STL de l'outil de maintenance de précision polyvalent est disponible ici sur le site Web de la NASA en téléchargement gratuit. Pourquoi ne pas en imprimer un et l'essayer vous-même ?

Vous pouvez également télécharger et imprimer votre propre version de la célèbre clé à molette, le premier outil imprimé en 3D dans l'espace.

Q : Quels sont les formats de fichiers d'impression 3D proposés par Accu et comment y accéder ?

R : Accu fournit des modèles CAO 3D gratuits pour chaque composant standard dans trois formats : STEP (.stp), IGES (.igs) et STL (.stl). STEP et IGES sont importés dans des logiciels de CAO tels que SolidWorks, Onshape et Fusion 360 pour les travaux de conception, tandis que STL est le format de maillage que vous envoyez directement à une imprimante 3D ou à une trancheuse, afin que vous puissiez imprimer un composant pour le prototypage et les tests d'ajustement avant de passer à la pièce finie.

Pour en télécharger un, connectez-vous à votre compte Accu (ou créez un compte gratuit), ouvrez la page produit du composant dont vous avez besoin, sélectionnez l'onglet « Modèles CAO 3D », choisissez votre format et cliquez sur Télécharger. Les comptes gratuits peuvent télécharger jusqu'à 20 modèles par jour. Si vous avez besoin d'un format que nous ne répertorions pas, notre équipe des solutions clients peut souvent fournir des alternatives sur demande.