Avancées dans la fabrication additive pour les miroirs aérospatiaux

La Fabrication additive (FA) est un process où les pièces sont construites couche par couche, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour créer des formes complexes que les méthodes de fabrication traditionnelles galèrent à réaliser. Cette méthode est super utile dans les applis spatiales, comme pour fabriquer des Miroirs légers pour les satellites. La capacité de combiner plusieurs pièces en une seule peut réduire le poids et le temps d'assemblage, ce qui est essentiel pour diminuer les coûts de lancement.

Cependant, il y a des défis pour fabriquer des surfaces optiques de haute précision avec la FA. Certaines pièces peuvent manquer de support pendant l'usinage, ce qui conduit à ce qu'on appelle l'effet de "patchwork", où la surface finit par être inégale. Cette recherche vise à examiner comment relever ces défis en redesignant un miroir pour un projet de CubeSat nommé A-DOT.

#Purpose of the Research

L'objectif est de concevoir deux miroirs qui maximisent les avantages de la FA tout en surmontant les défis spécifiques liés à l'impression et à l'usinage de formes proches du net. Un miroir vise à réduire la masse de 50%, tandis que l'autre vise une réduction de 70%. Les miroirs seront fabriqués en aluminium à l'aide d'une technique appelée fusion sélective par laser, et leurs Surfaces réfléchissantes seront façonnées grâce à un process appelé tournage diamant à point unique. Après production, les miroirs subiront des tests pour voir à quel point leurs dimensions sont précises.

#Understanding Additive Manufacturing

La FA est différente des méthodes traditionnelles comme l'usinage, le soudage et le moulage. Avec la FA, chaque couche est fusionnée pour construire la pièce complète. Ça permet de créer des formes beaucoup plus complexes que celles généralement produites par des méthodes de fabrication classiques.

Une technique spécifique utilisée en FA s'appelle l'optimisation topologique. Cette approche regarde comment le stress est distribué dans le design, permettant de retirer du matériau des zones où il est moins nécessaire. Cette technique donne des pièces plus légères mais toujours solides, favorisant une meilleure efficacité dans l'utilisation des matériaux.

Un autre avantage de la FA est la possibilité de combiner plusieurs composants en une seule pièce. Cette simplification réduit le nombre de connexions qui peuvent faillir avec le temps et rend l'assemblage plus rapide et facile.

#Applications in Aerospace

La FA a fait son chemin dans divers secteurs, avec l'aérospatial comme précurseur. Dans l'espace, le coût de lancement d'un satellite est directement lié à son poids, rendant les composants plus légers incroyablement précieux. Réduire le nombre de pièces diminue aussi le risque de défaillance pendant l'opération.

Des recherches ont montré les bénéfices potentiels de la FA pour fabriquer des miroirs légers. Une étude a comparé les designs de miroirs traditionnels avec ceux optimisés pour la FA et a trouvé que les designs FA offraient plus d'avantages, malgré leurs propres défis.

#Previous Studies

Les premières investigations sur les miroirs légers via la FA ont trouvé que créer un optique réfléchissant pour des applications laser à haute énergie partageait des similitudes avec l'optique spatiale. Un des défis clés était de gérer les Structures en treillis internes utilisées pour alléger les miroirs.

Une autre étude a démontré des efforts pratiques pour imprimer et polir un miroir conçu pour l'espace, utilisant diverses méthodes et matériaux pour rassembler des données sur la performance de ces surfaces. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec un miroir qui avait une réduction de poids d'environ 33%. Cependant, ça a été limité par un revêtement supplémentaire qui, bien qu'utile pour le polissage, ajoutait du poids.

La porosité, ou les petits trous dans le matériau causés pendant la production, a été montrée comme affectant la qualité des surfaces optiques dans les pièces FA. Des investigations ont été faites pour évaluer comment les paramètres d'impression se relient à ce problème et quelles stratégies pourraient être mises en œuvre pour minimiser son impact.

#Current Research Focus

Cette recherche se concentrera sur comment les connaissances acquises des process FA peuvent être appliquées dès la phase de conception des miroirs. En répondant aux défis comme le passage de l’impression et comment monter les pièces, l'objectif est de s'assurer que le produit final fonctionne bien.

#Mirror Design Overview

Le nanosatellite A-DOT sert de fondation pour ce projet. Le design implique un petit miroir qui doit conserver des caractéristiques dimensionnelles importantes pour s'adapter à la structure existante du satellite. Ces dimensions spécifiques guident le processus de conception pour assurer la compatibilité tout en visant à minimiser le poids.

#Manufacturing Considerations

Quand on fabrique des pièces métalliques avec la FA, certaines exigences doivent être remplies. La méthode de fusion sélective par laser permet une construction de couches précise, mais elle a aussi des limitations. Par exemple, les imprimantes FA peuvent généralement produire avec précision des caractéristiques au-dessus d'une certaine taille.

Une fois imprimées, les pièces doivent avoir tout matériau restant retiré de l'intérieur. Les caractéristiques en surplomb doivent aussi être soigneusement soutenues pour éviter des échecs pendant la production.

Après l'impression, les pièces doivent être sécurisées pour un usinage supplémentaire. Le processus de conception doit considérer les meilleures façons de maintenir la pièce en place pendant cette étape.

#Design Objectives

Le projet a trois objectifs principaux :

1. Mettre en place une structure en treillis interne pour réduire le poids global du miroir.
2. Concevoir des points de montage personnalisés qui assurent la stabilité pendant l'usinage.
3. Consolider plusieurs pièces en une pour simplifier le design global.

#Internal Lattice Research

Le processus de sélection du bon treillis pour remplir la zone interne du miroir a été la première étape. Divers types de structures de treillis ont été analysés pour déterminer lesquelles offriraient le meilleur équilibre entre réduction de poids et soutien pour la surface optique.

La recherche a pris en compte des facteurs comme le type de treillis, sa taille et d'autres caractéristiques pour trouver une solution optimale. Des études précédentes ont fourni des orientations sur quels types de treillis fonctionnaient bien, menant à la sélection de certains designs pour des tests supplémentaires.

#Experimentation with Lattice Types

Des tests initiaux ont été réalisés avec des formes échantillons pour simuler comment différents types de treillis se comporteraient sous pression. Plusieurs configurations ont été explorées pour évaluer leur efficacité à maintenir la forme du miroir tout en réduisant le poids.

Des treillis basés à la fois sur des structures graphiques et des équations mathématiques ont été considérés. La performance a été mesurée en fonction de la quantité de poids pouvant être réduite tout en fournissant un soutien suffisant.

#Conclusion and Next Steps

L'objectif principal de ce projet était de redesign et fabriquer un miroir pour un nanosatellite en utilisant la FA, avec un focus sur la réduction de poids et l'amélioration de l'efficacité de conception. Trois designs différents ont été créés, montrant une réduction de masse réussie grâce à l'inclusion de treillis internes et de caractéristiques externes optimisées.

Les designs finaux ont atteint diverses réductions de masse, selon l'approche choisie : un design à dos ouvert, offrant le plus d'économies de poids, et deux designs à dos fermé avec différentes structures de treillis.

Une analyse plus poussée sera effectuée sur les prototypes produits pour évaluer leur qualité, y compris les mesures de rugosité de surface et l'intégrité structurelle globale après les processus de fabrication.

#Future Work

Les prochaines étapes impliqueront des tests rigoureux et des ajustements supplémentaires basés sur les premières conclusions. Les efforts futurs se concentreront également sur l'usinage réussi des autres designs et l'utilisation des leçons apprises du premier tour de production. L'objectif est d'améliorer continuellement le processus de fabrication pour les projets futurs.

En utilisant efficacement les techniques de FA dans les applications spatiales, le potentiel de livraison de composants optiques de haute qualité à coûts réduits peut être réalisé, menant à de meilleures performances pour les futures missions satellites.