« Sur la prochaine génération de moteurs-fusées, 50% de la valeur des pièces proviendra de la fabrication additive », lance Raphaël Salapète, responsable R&D impression 3D chez ArianeGroup

Industrie & Technologies : ArianeGroup a testé avec succès la semaine dernière une chambre à combustion entièrement imprimée en 3D. Une première pour ce type de pièce. Dans quel cadre s’inscrivent ces essais ?

Raphaël Salapète : Il s’agit de tests effectués dans le cadre du programme de l’ESA baptisé FLPP, pour Future Launcher Preparatory Program. Il vise à mettre au point les différentes briques technologiques qui seront utilisées dans les prochaines générations de lanceurs. La chambre de combustion à ergols liquides que nous avons mise au banc d’essai la semaine dernière, en coopération avec l’agence spatiale allemande, la DLR, sur son site de Lampoldhausen, s’inscrit plus particulièrement dans le cadre du démonstrateur de moteur de second étage ETID. Les technologies validées lors de ces essais seront utilisées dans les futurs moteurs-fusées, réallumables en orbite, qui prendront dans quelques années la relève du moteur Vinci qui, lui, fera son vol inaugural l’année prochaine à bord d’Ariane 6.

Les essais sur le démonstrateur ETID permet également de valider certains concepts qui seront déployés dans les prochaines générations de moteurs d’étage principal. Ils seront testés le cadre d’un autre démonstrateur du programme FLPP, Prometheus, un moteur principal à bas coût, potentiellement réutilisable.

Les pièces produites grâce à la fabrication additive se généralisent dans ces démonstrateurs. Quels sont vos objectifs dans ce domaine ?

ArianeGroup a un objectif très fort en termes de réduction des coûts de ses prochains lanceurs : Prometheus doit par exemple nous permettre de réduire d’un facteur 10 les coûts de la prochaine génération de moteurs-fusées. Pour atteindre cet objectif, la fabrication additive métal va jouer un rôle essentiel. Elle nous permet de maîtriser l’ensemble de la chaîne de valeur depuis la conception des pièces jusqu’à leur réalisation.

Les technologies d’impression 3D sont capables de produire des géométries complexes, qui nous permettent de réduire le nombre de pièces en nous évitant certains assemblages. Par exemple, la chambre de combustion testée à Lampoldhausen est équipée d’une tête d’injection pour ergols liquides conçue d’un bloc, alors que cette pièce est habituellement constituée d’un assemblage de 200 éléments. Cette pièce a été validée et sera utilisée sur Ariane 6.

Les procédés d’impression 3D apportent une véritable valeur ajoutée. Nous estimons que sur la prochaine génération de moteur-fusée, 50% de la valeur des pièces proviendra de la fabrication additive. En outre, les temps de cycle de l’impression 3D sont entièrement compatibles avec le secteur de l’aérospatial et permet même de réduire significativement les temps de production. Mais difficile de vous donner une estimation globale car cela dépend en grande partie du type de pièce et de sa complexité.

Quelle est concrètement l’évolution du nombre de pièces imprimées en 3D embarquées dans les lanceurs d’ArianeGroup ?

Le nombre de pièces est en constante progression. Sur Ariane 5, nous n’avons intégré qu’une pièce imprimée en 3D. Il s’agit d’un élément du moteur principal Vulcain 2 baptisé la croix de cardan.

Pour Ariane 6, 10 références ont été qualifiées. Elles voleront l’année prochaine. L’impression 3D nous a permis de concevoir et d’installer un système auxiliaire de puissance (APU – Auxilliary Power Unit) pour l'étage supérieur, ce qui est inédit sur un lanceur européen. Nous pourrons ainsi repositionner en orbite cet étage lors de certaines missions comme le lancement de constellations de satellites. Pour Prometheus, l’objectif est encore plus ambitieux puisque deux tiers des pièces seront produites en fabrication additive. Le système sera testé l’année prochaine. Dans l’absolu, nous pourrions tout à fait imaginer un moteur intégralement conçu en fabrication additive.

Quels procédés avez-vous utilisés pour mettre au point la chambre à combustion ETID ?

La réalisation de cette chambre de combustion qui représente en taille 60% du moteur est une vraie nouveauté. La chambre et son circuit de refroidissement ont été réalisés d’un bloc, en cuivre, selon le procédé de fusion laser sur lit de poudre. Le cuivre a une fonction thermique, renforcée par un réseau de refroidissement dans lequel on fait passer de l’hydrogène, pour évacuer le plus d’énergie possible. Par-dessus on met une jaquette qui va tenir mécaniquement le cuivre et reprendre les efforts de pression. Pour cela on utilise des bases nickel.

Pour réaliser cette jaquette nous avons travaillé avec des technologies de projection par gaz froid (cold spray), qui consistent à projeter une poudre à une vitesse supersonique sur une paroi sur laquelle la particule se solidifie et forme des couches. Cette technologie a permis de projeter l’alliage base nickel sur l’extérieur de la chambre. L’étape de projection à froid a été réalisée sur le site d’Ottobrunn, en Allemagne.

Cette campagne de test ETID vous a donc permis de valider la pertinence de l’association de ces deux technologies d’impression ?

Absolument. Il s’agit vraiment d’une étape importante dans notre processus de validation technologique. La fabrication additive constitue une vraie rupture qui nous demande de repenser nos conceptions. Ce test à feu montre la viabilité des choix techniques retenus pour la prochaine génération de fusées qui sera lancée après 2030.

Le chambre de combustion a été mise à l'épreuve 14 fois sur le banc d'essai P8 du site Lampoldshausen, en Allemagne

La chambre de combustion en cuivre (au centre de la pièce) est recouverte d'une jaquette en alliage de nickel, réalisée grâce au procédé de projection à froid (cold spray)

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