Les inserts en titane pour les engins spatiaux sont 66 % plus légers avec l’impression 3D métal

Saviez-vous que chaque kilogramme envoyé en orbite coûte actuellement près de 20 000 $ ? Chaque gramme perdu rend l’espace un peu plus abordable. Pendant la conception ou la fabrication d’un composant d’engin spatial, l’optimisation du poids est un aspect essentiel, qui ne doit cependant pas être au détriment de la résistance ou des performances du composant. Materialise Manufacturing a collaboré avec Atos, un leader mondial dans le secteur des services numériques, dans le but d’optimiser le poids d’un insert en titane très utilisé par l’industrie aérospatiale pour transférer des charges mécaniques importantes dans des structures comme les satellites. Grâce à une conception optimisée avec brio et produite par impression 3D métal, les nouveaux inserts en titane ne font qu’un tiers du poids initial, tout en bénéficiant de propriétés renforcées.

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Des inserts à structure sandwich

Ces inserts sont typiquement utilisés comme points de montage pour fixer des dispositifs sur des satellites. Ils doivent souvent soutenir des charges importantes et soulever des structures imposantes et lourdes. Il est donc essentiel de leur conférer un rapport force/poids élevé : ces composants doivent présenter une force et une rigidité élevées, à un poids minimal.

Les inserts classiques prennent généralement la forme de briques en aluminium ou en titane, car ils sont produits par usinage. Leur structure intérieure est entièrement solide, ce qui augmente leur masse et leur coût. Outre le prix des matériaux, les composants lourds augmentent également les frais opérationnels de l’engin spatial à chaque lancement.

L’impression 3D métal, quant à elle, peut résoudre ces problèmes tout en continuant d’utiliser les mêmes matières, à savoir l’aluminium et le titane.

Optimisation de conception avec la fabrication additive

Les ingénieurs ont relevé le défi en révolutionnant les concepts traditionnels. Le concept a été pensé pour répondre aux exigences du secteur spatial, de la phase de conception à celle de fabrication. Le savoir-faire d’Atos en ingénierie aérospatiale et en simulation de structures a permis de concevoir ce composant innovant autant par sa forme extérieure que par sa structure interne.

Avec la fabrication additive, l’espace intérieur des objets peut être creusé ou conçu avec des structures plus légères, afin de n’utiliser de la matière qu’aux endroits nécessaires. Les ingénieurs de Materialise et Atos se sont d’abord attelés à la réduction de l’utilisation de matière à l’intérieur du composant. Atos and Materialise ont utilisé les techniques d’optimisation de topologie et de structures paramétriques de type treillis pour réduire la masse de l’insert de 1 454 g à 500 g, soit une impressionnante réduction de 66%.

Outre la perte de poids, l’équipe a également résolu les problèmes de tension thermoélastique du modèle d’origine. Puisque ces inserts sont installés durant le durcissement des polymères à renfort fibre de carbone, ils sont soumis à des tensions thermoélastiques. La nouvelle conception optimisée a limité la vulnérabilité du composant face à cette tension et amélioré la répartition de la charge, ce qui a eu pour effet d’allonger la durée de vie des inserts.

Deux inserts ont été fabriqués en titane (TiAl6V4) avec la nouvelle conception à l’usine d’impression 3D métal de Materialise, à Brême. En tant que centre de compétence de Materialise pour l’impression 3D métal, pour la production comme pour le développement de logiciels, ce site a démontré ses capacités de fabrication avancées avec des projets comme celui-ci. L’impression 3D métal a elle aussi prouvé son potentiel remarquable pour l’industrie aérospatiale, car l’absence d’outillage permet de répondre à des délais très serrés.

« Cette perte de poids permet d’augmenter la quantité d’équipements utiles pouvant être embarqués sur les satellites et de réaliser d’importantes économies à chaque lancement. Nous sommes fiers de cette innovation. En créant ce produit complexe par fabrication additive en métal dans un délai aussi rapide, Atos et Materialise se placent parmi les leaders des fournisseurs de solutions d’impression 3D métal. »
Marta García-Cosío, responsable de l’ingénierie mécanique chez Atos Espagne

Suite à ce projet couronné de succès et aux recherches qui l’ont rendu possible, nous espérons étendre l’implémentation de composants en métal produits par fabrication additive dans l’industrie aérospatiale et aéronautique.