Chaque kilogramme de masse sèche (hors ergols) gagné contribue à la performance finale d’un lanceur, c’est-à-dire à la masse de charge utile qu’il peut injecter en orbite », lance Hervé Gilibert, le directeur technique d’ArianeGroup. La quête d’optimisation de la masse sèche a pris un nouvel élan avec l’arrivée de la fabrication additive (FA) métallique à la fin des années 2000. Cette technologie de rupture est bien adaptée au spatial, marqué par de faibles cadences de production et des systèmes complexes. Son adoption a déjà abouti à plusieurs réalisations opérationnelles. Elle continue à se développer afin de réaliser des pièces plus performances et plus grandes, tout en s’orientant vers une logique « plus pragmatique ».
Des gains de temps et de poids
Côté allégement, cette technologie offre des optimisations topologiques bien supérieures à celles permises par les procédés d’usinage. Elles sont précieuses pour les systèmes tels que les échangeurs thermiques « où l’on cherche à maximiser l’imbrication de circuits d’échange dans un volume minimal, ou pour les divers appendices mécaniques, dits structures secondaires, qui supportent des équipements et de la connectique, et où l’on cherche à minimiser la quantité de matière », indique Hervé Gilibert.
L’impression 3D accélère aussi considérablement la production de certains sous-systèmes : alors que produire, puis assembler, de multiples pièces élémentaires peut prendre des mois, la FA, réalisée en une seule étape, ne met que quelques jours. « Dans les moteurs de fusées d’ArianeGroup, au niveau des plaques d’injection, l’assemblage d’environ 200 pièces usinées individuellement a été remplacé par une fabrication monobloc, plus rapide. » La FA « fait gagner entre 20 et 30 % de la masse d’un élément, comparé à son équivalent usiné » et s’accompagne de performances intéressantes. « Les essais en traction ont révélé des propriétés mécaniques équivalentes, voire supérieures, aux procédés traditionnels, notamment en alliages de titane. De plus, des propriétés fonctionnelles de conductivité électrique ou thermique peuvent être incorporées aux pièces, évitant ainsi des assemblages », souligne Florence Montredon, la responsable des technologies de FA de Thales Alenia Space, qui peut par exemple concevoir des guides d’ondes pour ses satellites.
Constat partagé par ArianeGroup avec sa turbine de la turbopompe hydrogène du moteur Vinci développée pour l’étage supérieur d’Ariane 6. « C’est une avancée majeure parce qu’il fallait démontrer un niveau de caractéristiques mécaniques extrêmement élevé pour une pièce tournant à 100 000 tours/min, avec une reproductibilité parfaite des qualités du matériau d’une pièce à l’autre, et qui présentait une tenue mécanique supérieure à ce qui était anticipé », commente Hervé Gilibert.
L’assemblage d’environ 200 pièces usinées une à une a été remplacé par une fabrication monobloc
— Hervé Gilibert, directeur technique d’ArianeGroup
Dans l’industrie spatiale, l’utilisation de la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) pour la fabrication de composants de satellites, de moteurs-fusées ou d’éléments internes d’étages fait consensus, car cette technologie est bien adaptée aux pièces de taille moyenne à haute valeur ajoutée avec une bonne précision. Ce qui n’empêche pas des acteurs de garder un œil sur les grandes dimensions. « Dès 2015, Thales Alenia Space a mis en orbite des supports d’antennes et des ferrures de réflecteurs, en aluminium et en titane, pour de nombreux satellites de télécommunications, avec des machines L-PBF de grande taille, jusqu’à 800 x 400 x 500 mm », souligne Florence Montredon.
De l’usinage supplémentaire
ArianeGroup vise au-delà et explore le façonnage par L-PBF de pièces de tailles « variant de 1 à 2 m, voire plus pour les ébauches structurales via la fabrication par DED laser-fil pour le réservoir des lanceurs de plus de 5 m de diamètre », indique Hervé Gilibert. Maintenir la précision des composants est un véritable défi. « Bien que ces ensembles XXL puissent être rapidement fabriqués avec des formes complexes, il sera nécessaire d’effectuer des opérations d’usinage supplémentaires pour les ajuster », remarque-t-il.
Si les démonstrations de gains et les progrès en cours confirment l’intérêt de la FA métallique pour le spatial, une tendance se dessine. « On est dans une phase plus pragmatique, constate Florence Montredon. On observe une dynamique stable, voire une légère décroissance du nombre de pièces en FA intégrées dans nos satellites. La FA représente une opportunité supplémentaire dans les technologies de fabrication, sans avoir vocation à toutes les remplacer. »
La faute à la compétitivité moindre de la FA par rapport aux procédés conventionnels. Malgré les gains de performances, cette technique nécessite des étapes de finition telles que l’usinage des interfaces fonctionnelles et, selon la criticité des pièces, le contrôle qualité par tomographie sur chaque exemplaire, générant des surcoûts. « Pour les constellations de petits satellites, la fonderie produit des pièces en quelques heures, à un coût unitaire très compétitif. En revanche, avec la FA, ce coût ne diminue pas selon la quantité produite », argumente Florence Montredon. Les fabricants sont appelés à développer « des machines plus robustes et des méthodes de contrôle qualité moins onéreuses pour continuer à industrialiser la FA dans le spatial conventionnel ».
« La fabrication additive céramique est en phase avec les besoins du new space »
Christophe Chaput, dirigeant de 3DCeram
Quelle est la complexité de la fabrication additive (FA) céramique ?
Il faut adapter les paramètres de stéréolithographie (SLA) aux caractéristiques des différentes céramiques techniques : oxydes et non oxydes. Les premières étant plus faciles à fondre et à fritter, les secondes se distinguant par une meilleure conductivité électrique et une dureté plus importante. Durant l’impression, un mélange de céramique et de résine, sous forme de crème visqueuse, est polymérisé par un laser UV. Ensuite, il faut maîtriser le déliantage (combustion du liant organique) et le frittage où l’on obtient les propriétés finales de la céramique.
Existe-t-il des pièces céramiques qui sont opérationnelles ?
Deux réalisations sont en orbite. En 2020, une collaboration avec ThrustMe a abouti à l’impression en céramique des canaux internes de la chambre de son système de propulsion par plasma d’iode, réputé pour ses flux énergétiques de particules élémentaires, son intense pulvérisation et sa gravure ionique réactive. En 2021, l’accompagnement de Anywaves, spin-off du Cnes, dans la construction d’une antenne de bande GNSS L1/E1 en zircone avec une structure en nid-d’abeilles a permis d’obtenir des performances radiofréquences améliorées.
Quelles sont les perspectives ?
Malgré ses avantages, la FA céramique est limitée dans le domaine spatial conventionnel, pour des raisons de qualification et de dimensions. Afin de pallier ces obstacles, des efforts de R&D sont déployés depuis trois ans dans le développement de process ajustés à l’impression de carbure de silicium (SiC), jugé plus propice pour les grandes tailles telles que les miroirs. La FA céramique est adaptée à la miniaturisation des composants, de l’ordre de quelques centaines de millimètres, offrant d’importantes propriétés thermomécaniques et une résistance à la corrosion. Elle est ainsi davantage en phase avec les besoins du new space, qui développe des systèmes plus compacts, comme les nanosatellites aux formes complexes.
