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ORNL

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Dans le but de faire progresser la fabrication additive, une équipe de chercheurs, avec la contribution de la NASA, a imprimé en 3D une roue identique à un modèle utilisé par l'agence spatiale pour son rover robotique lunaire. Le processus montre comment la technologie peut être utilisée pour les pièces spécialisées nécessaires à l’exploration spatiale.

Pour l'équipe du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie, les roues légères du Volatiles Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) ont servi d'inspiration pour leur conception. La NASA espère utiliser un robot mobile en 2024 pour étudier la glace et d'autres ressources possibles à proximité du pôle sud de la Lune.

Bien que la roue ne soit pas utilisée sur le rover lui-même, les performances de la roue imprimée seront évaluées par la NASA par rapport à une roue de construction conventionnelle qui sera utilisée sur la Lune l'année prochaine.

Tout en permettant la complexité de la conception et la personnalisation des caractéristiques des matériaux, l'impression additive peut réduire la consommation d'énergie, le gaspillage de matériaux et les délais de livraison.

L'installation de démonstration de fabrication (MDF) située à ORNL, qui a imprimé la roue en 3D, développe la technologie depuis plus de dix ans pour diverses utilisations dans les secteurs de l'industrie, des transports et des énergies propres.

En ce qui concerne le processus de production, il comprenait des lasers synchronisés, une plaque de construction tournante et une imprimante 3D personnalisée, qui ont été utilisés pour fondre avec précision la poudre métallique dans la forme souhaitée. Les systèmes standard à lit de poudre métallique fonctionnent selon les étapes suivantes : Ils ratissent une couche de poudre sur une plaque fixe dans une machine de la taille d'une armoire. Une couche est ensuite fondue sélectivement par un laser avant que la plaque ne soit doucement abaissée et que la procédure soit répétée.

Selon Peter Wang, qui supervise le développement en MDF de nouveaux systèmes de fusion laser sur lit de poudre, l'imprimante utilisée pour le prototype de la roue mobile est suffisamment grande pour qu'une personne puisse y entrer et est exceptionnelle dans sa capacité à imprimer des éléments substantiels tandis que les étapes se déroulent simultanément et en permanence. Ce qui était également essentiel était « un logiciel développé par l'ORNL pour « découper » la conception de la roue en couches verticales, puis équilibrer la charge de travail entre les deux lasers pour imprimer uniformément, obtenant ainsi un taux de production élevé », indique un communiqué de l'ORNL.

L'équipe affirme que ce processus a augmenté le taux de production, permettant un dépôt 50 % plus rapide. "Nous ne faisons qu'effleurer la surface de ce que le système peut faire. Je pense vraiment que cela sera l'avenir de l'impression laser sur lit de poudre, en particulier à grande échelle et dans la production de masse", a déclaré Wang.

Une étude concernant leurs travaux sur la fabrication additive a été publiée dans la revue Mary Ann Liebert.

Les dimensions de la roue imprimée en 3D étaient d'environ 8 pouces de largeur et 20 pouces de circonférence et était constituée d'un alliage à base de nickel. Selon l'équipe, la technologie d'impression additive utilisée a montré la capacité d'imprimer des détails géométriques fins sur une grande zone de travail, permettant une conception complexe de la jante sans augmenter les coûts ni compliquer la fabrication.

Les quatre roues VIPER devraient être utilisées l’année prochaine ; en revanche, ils nécessitaient plusieurs procédures de fabrication et étapes d’assemblage. La jante de 50 pièces du VIPER est reliée en 360 points par des rivets. Les exigences exigeantes de la mission nécessitaient une procédure de production sophistiquée et à forte intensité de main d'œuvre.

En revanche, les futurs rovers pourraient utiliser à la place une seule jante imprimée, dont la création n’a pris que 40 heures à ORNL, si les tests de la NASA démontrent que le prototype imprimé en 3D est aussi durable que les roues de construction traditionnelle.

Les chercheurs ont déclaré que le processus de fabrication additive a permis aux experts de l'ORNL et de la NASA d'étudier l'impression d'éléments de conception précis, notamment des flancs inclinés, une forme en forme de dôme et une bande de roulement ondulée, afin d'augmenter la rigidité de la roue. En utilisant des techniques de fabrication conventionnelles, il est impossible d'inclure ces caractéristiques dans la conception actuelle des roues VIPER. Bien qu'elle ait permis une roue avec un motif de rayons plus complexe et des capacités de verrouillage des rayons, l'impression 3D a rendu la conception de la roue plus simple, moins chère et plus facile à assembler.