L'impression 3D est une arme redoutable pour les lanceurs. Ici, lancement, en novembre 2013, de la sonde Maven, à destination de Mars. © Rémy Decourt

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L'impression 3D, une arme redoutable pour les lanceurs

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L'impression 3D peut améliorer la compétitivité de bien des lanceurs. Dernier exemple en date avec United Launch Alliance, qui a utilisé ce processus pour fabriquer un conduit. Cela a permis de réduire considérablement le nombre de pièces. L'élément en question vole à présent à bord des lanceurs Atlas V.

L'impression 3D, ou fabrication additive, peut désormais être intégrée au sein de projets spatiaux. United Launch Alliance (ULA), qui construit et opère les lanceurs des familles Delta et Atlas, utilise cette technologie dans la production de certaines pièces de ces deux types de lanceurs.

Ces derniers seront progressivement remplacés à l'horizon 2020 par Vulcan, un lanceur à deux étages partiellement réutilisable, pour faire face à la concurrence de SpaceX et à la nécessité de ne plus dépendre des technologies russes. En effet, ULA, qui a pour seul client le gouvernement des États-Unis, doit maintenant composer avec la société SpaceX (cette dernière est autorisée, depuis mai 2015, à répondre à des offres de lancements publiques).

Et, pour baisser les coûts de fabrication de ses lanceurs en service, ULA utilise, depuis plusieurs lancements, des pièces en fabrication additive. Cette technologie lui a par exemple permis de fabriquer un conduit de lanceur en réduisant considérablement le nombre de pièces. Ce conduit du système de conditionnement d'air vole aujourd'hui à bord des lanceurs Atlas V.

Comme l'entreprise américaine Boom Supersonic, qui a en projet un avion supersonique (pour 2023), ULA s'est tournée vers les solutions de la société américaine Stratasys, dont le matériau est Ultem 9085, un thermoplastique FDM.

La technologie de Stratasys, qui supporte une vaste plage de températures extrêmes, a permis de réaliser le conduit du système de conditionnement d'air (ECS) de l'Atlas V. © ULA

Un thermoplastique résistant aux températures extrêmes

Avant d'utiliser ce thermoplastique pour la réalisation de pièces de lanceur, ULA s'est d'abord assurée de ses capacités de résistance, tant à des températures cryogéniques qu'aux chaleurs extrêmes. La société s'est aussi assurée que le matériau était assez solide pour supporter les vibrations et les contraintes inhérentes au décollage et au vol.

Parmi les pièces fabriquées en impression 3D, ULA a donc, notamment, réalisé un processus de mise à niveau du conduit du système de conditionnement d'air (ECS) de l'Atlas V. Le conduit de l'ECS est un élément critique lors du compte à rebours d'un lancement, car il alimente en azote des composants électroniques sensibles à l'intérieur de la fusée. Le précédent conduit de l'ECS contenait 140 pièces ; en le modifiant à l'aide de la fabrication additive, ULA a réduit le nombre de pièces à 16. Ainsi, elle a considérablement réduit les délais d'installation et, par conséquent, les coûts (avec une réduction de près de 57 %).

Greg Arend, responsable du programme de fabrication additive chez ULA, souligne : « Nous prévoyons une croissance exponentielle de l'utilisation de l'impression 3D pour les applications en vol sur nos lanceurs actuels et nous avons l'intention d'y recourir massivement pour notre lanceur Vulcan ».

ArianeGroup utilise également l'impression 3D : Ariane 6 sera une famille de lanceurs qui utilisera cette technologie ; certaines pièces ne pourront être réalisées que par ce procédé de fabrication (voir article ci-dessous).

Pour en savoir plus

L'impression 3D pour les lanceurs Ariane

Article de Rémy Decourt publié le 25/01/2017

Dans les moteurs de la future Ariane 6 et, plus encore, dans les programmes à venir, l'impression 3D, ou fabrication additive, commence à s'imposer. Déjà, l'actuel Vulcain 2, en service aujourd'hui, exploite cette technique. Elle réduit considérablement les temps et les coûts de production, et permet de réaliser des pièces à peu près impossibles à construire avec des méthodes classiques. Découvrez ces objets étranges, à embarquer dans les lanceurs du futur.

Le secteur spatial a vite adopté la fabrication additive, plus communément appelée impression 3D. Cette technologie permet de produire en seulement quelques heures des pièces de formes complexes difficiles ou très longues à réaliser avec les techniques classiques, moulage ou usinage. Outre ce gain de temps, le recours à l'impression 3D permet une réduction très importante des coûts et des cycles de fabrication.

Chez Airbus Safran Launchers, les pièces en impression 3D existent déjà, avec, de gauche à droite, une pièce pour le moteur Vulcain 2, le moteur Vinci et Prométhée. © Rémy Decourt

Cette technique de fabrication est d'ailleurs très bien adaptée aux produits spatiaux car elle permet de réaliser des pièces monoblocs, c'est-à-dire sans qu'il soit nécessaire d'assembler des pièces par vis, collage ou soudures. C'est notamment vrai pour des composants de satellites, de moteurs spatiaux et de lanceurs.

Croix de cardan du Vulcain 2 d'Ariane 5 réalisée en fabrication additive à partir d'une poudre d'Inconel 718. © Airbus Safran Launchers

Une technique de fabrication adaptée aux produits spatiaux

Airbus Safran Launchers l'a bien compris. Sur Ariane 6, la fabrication additive sera beaucoup utilisée pour réaliser ce lanceur conçu avec l'objectif d'être très compétitif dès son entrée en service. Dans certains générateurs de gaz, des pièces ne seront pas réalisables par les moyens classiques, et imposeront donc la 3D.

Les caractéristiques mécaniques statiques des pièces monoblocs réalisées par la fabrication additive étant proches de celles du forgé et bien supérieures à celles de la fonderie, Airbus Safran Launchers l'utilise également pour la réalisation de pièces du moteur Vulcain 2 d'Ariane 5 et du Vinci de l'étage supérieur rallumable d'Ariane 6.

Une première pièce du moteur Prométhée en impression 3D (un carter de pompe). Cette pièce, essentielle au moteur, est impossible à réaliser avec les techniques de fabrications classiques. Le secret industriel et la performance de la fabrication additive ne se dévoilent qu'à l'intérieur de cette pièce parcourue de plusieurs centaines de petits tubes. © Rémy Decourt

Une première pièce structurale du moteur Vulcain 2, obtenue par fabrication additive métal, a déjà volé sur une Ariane 5, lors du lancement de quatre satellites Galileo, le 17 novembre 2016 (VA233). Elle a été réalisée en fabrication additive avec de la poudre métallique fusionnée par laser. Pour le moteur rallumable Vinci, Airbus Safran Launchers a réalisé quelques pièces, dont un collecteur LSPH et un rouet centrifuge de pompe.

La production additive a donc déjà fait une apparition remarquée dans les familles Vulcain et Vinci. Mais c'est peu de choses comparé au programme du moteur du futur Prométhée. Ce moteur, destiné à un hypothétique lanceur réutilisable, est pensé avec un objectif de coût unitaire divisé par 10 par rapport au Vulcain 2 d’Ariane 5 (1 million contre 10 millions d'euros). Environ 50 % (en valeur) des pièces de Prométhée pourraient être réalisées en impression 3D, notamment certaines tuyauteries et vannes, ou la chambre de combustion. Au passage, la fabrication additive permettra de repenser la conception de certains composants de façon à diminuer le nombre de pièces et d'en réaliser certaines impossibles à construire avec les moyens traditionnels.

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