Fluctuations thermiques et fortes irradiations... Comment les conditions régnant à la surface de la Lune influent-elles sur le comportement des matériaux imprimés en 3D ? Pour obtenir des réponses à cette question, nécessaires à l’utilisation de l'impression 3D dans l’espace, le groupe Stratasys a dévoilé, le 13 mars, son implication dans les expérimentations de la première mission du Space Science & Technology Evaluation Facility (SSTEF-1) d'Aegis Aerospace, menée en collaboration avec la NASA et la société Northrop Grumman. L'entreprise américano-israélienne spécialisée dans la fabrication d'imprimantes 3D dispose d’un large éventail de matériaux thermoplastiques qu’elle entend soumettre aux conditions uniques de notre satellite naturel, en vue de concevoir des matériaux mieux adaptés à la Lune.
Le SSTEF-1 est un service d'essais spatiaux qui a été élaboré par Aegis Aerospace dans le cadre du programme Tipping Point de la NASA. Il se focalise sur le développement technologique d'infrastructures spatiales en vue de faciliter l'exploration lunaire. Parmi les pistes envisagées, l’exploitation des avantages de la fabrication additive pour réduire les coûts des missions spatiales en produisant localement le matériel requis. L'impression 3D pourrait également répondre aux impératifs de réparation auxquels les astronautes pourraient être confrontés in situ.
Cependant, la Lune présente un environnement complexe, caractérisé par « des radiations intenses, des variations thermiques excédant les 120 °C et inférieures à -170 °C, et une poussière abrasive électrostatiquement chargée », avance Patrick Price, ingénieur en applications aérospatiales chez Stratasys. Le passage de l'impression sur Terre à la Lune impose un ajustement des matériaux et un calibrage des procédés utilisés.
Dans cette perspective, Stratasys livrera des échantillons de pièces imprimées en 3D destinés à être déployés sur la surface lunaire. En ligne de mire, éprouver les performances de divers matériaux dans cet environnement radicalement différent de la Terre. « L'expérimentation soumettra des échantillons de matériaux à la poussière lunaire, à la basse pression pouvant entraîner un dégazage, et aux variations rapides et abruptes de température qui résultent de l'absence quasi-totale d'atmosphère sur la Lune », ajoute-t-il.
Quatre matériaux en test
Quatre matériaux seront soumis à cette épreuve, dans le cadre de deux expérimentations distinctes menées par son partenaire Northrop Grumman. La première expérience a pour objectif d'évaluer les performances d'une pièce de protection contre les radiations fabriquée à partir du filament « Antero 800NA », renforcé au tungstène. Ce thermoplastique dérivé de la polyéthercétonecétone (PEKK), polymère thermoplastique semi-cristallin, se distingue par ses propriétés mécaniques remarquables, sa résistance chimique, et son faible taux de dégazage. « Le tungstène, ajouté à cet alliage, vise à conférer une protection contre les radiations nocives telles que les rayons gamma ou rayons X », précise Patrick Price.
La seconde expérimentation s'attache à observer le comportement dans l'espace des matériaux imprimés en 3D. Cette dernière cible en premier lieu le matériau « Antero 840CN03 », caractérisé par ses propriétés de résistance thermique et chimique, ainsi que de décharge électrostatique significatives. Cette expérience inclura également le photopolymère « Deflect 190 ESD DLP », une résine récemment élaborée par Henkel pour les imprimantes Stratasys. « Ce polymère se distingue par sa température de déflexion thermique de 190°C (propension d'un matériau à fléchir ou se déformer sous l'effet des variations de température, ndlr), ainsi que par ses propriétés de dissipation électrostatique et sa rigidité élevée », apprend-on. Enfin, le dernier matériau à être soumis à l'épreuve, le « Somos PerFORM », est une résine époxy chargée en céramique conçue pour la création « de pièces rigides offrant une haute résistance aux températures élevées (250°C) », indique la société.
Trois procédés d’impression 3D
Les échantillons seront imprimés à l’aide de trois techniques d'impression additive. « Nous avons sélectionné celles qui ont une aptitude à produire des pièces d'une qualité supérieure », justifie l’ingénieur en applications aérospatiales. Stratasys optera en premier lieu pour la stéréolithographie (SLA), procédé consistant à utiliser une source lumineuse, telle qu'un laser, pour polymériser la résine liquide et la transformer en une forme solide, rigide ou flexible. Le dépôt de fil fondu (FDM), impliquant la fusion d'un filament thermoplastique déposé couche par couche à l'aide d'une buse d'extrusion, constituera la deuxième technique explorée. Enfin, l’entreprise utilisera la photopolymérisation programmable par traitement numérique de la lumière (DLP pour Digital Light Processing), où une image bidimensionnelle de la couche à polymériser est projetée sur l'ensemble de la cuve de la résine.
« L'objectif n'est pas de tester ces différents processus d'impression 3D sur la Lune, mais d'évaluer le comportement des matériaux imprimés à l’aide de ces trois techniques dans les conditions de la Lune. Sont-ils dotés d'une résistance notable à la fatigue à long terme ? Parviennent-ils à résister aux variations de température extrêmes ? Sont-ils en mesure de dévier les radiations, et dans quelle mesure ? », pointe-t-il.
Un début des expérimentations en 2025
Quant au déroulement des tests, l'expérimentation est prévue pour l'année 2025. Les pièces seront acheminées à la surface de la Lune par un atterrisseur sans pilote, dans une structure porteuse imprimée en 3D par Stratasys. Les échantillons, d'une dimension approximative de 10 x 7 x 7 centimètres, seront observés tout au long de leur trajet et surveillés en temps réel pendant plusieurs semaines une fois qu’ils seront installés sur la surface lunaire.
L'identification des divers facteurs et leur influence sur les matériaux permettront à Stratasys de déterminer les matériaux les plus aptes à la fabrication additive de pièces aux performances mécaniques optimales, et ainsi résilientes face à la complexité de l'environnement lunaire, dans un avenir proche.
