L’optimisation topologique et l’impression 3D en route pour l’espace

Le défi de l’allègement et les promesses de la fabrication additive

L’allègement est un défi permanent pour l’industrie spatiale, car plus un satellite est léger, moins son envoi dans l’espace est coûteux. Mais ce composant doit supporter des conditions extrêmement difficiles lors de son lancement et pendant sa phase opérationnelle dans l’espace. Il doit ainsi être à la fois très léger et résistant. Les industriels sont donc en recherche constante de solutions d’allègement et testent de nouvelles méthodes de conception et de fabrication pouvant les aider à atteindre cet objectif. Parmi ces technologies, la fabrication additive est l’une des plus prometteuses pour l’industrie spatiale.

RUAG Space est le principal fournisseur européen dans le secteur spatial. Il est spécialisé dans les groupes d’assemblage embarqués pour satellites et lanceurs. Quelque 8100 collaborateurs répartis dans le monde entier développent et fabriquent ses produits et services innovants destinés à une utilisation sur terre, dans l’air et dans l’espace. Depuis 2013, RUAG Space a mené des travaux intensifs de recherche et de développement sur la fabrication additive. « Imprimer en 3D » implique de construire des couches de métal en poudre et de les lier pour créer la forme désirée par un procédé automatique appelé « le frittage laser direct de métal » (connu sous l’acronyme DMLS en Anglais).

L’objectif des ingénieurs de RUAG Space était d'utiliser tout le potentiel de liberté de forme qu’autorise la fabrication additive, et de créer un composant en aluminium qui serait à la fois vraiment plus résistant et en même temps significativement plus léger que la conception de référence. Mais le but était également de réduire les temps de conception et de développement pour obtenir plus rapidement le composant final. Le bras de support d’antenne du satellite Sentinel-1 a été sélectionné pour la réalisation de cette étude, en considérant plusieurs critères, - tels que la faisabilité technique par fabrication additive, l’existence de partenaires fiables pour le développement et la fabrication, les processus de tests et de validation, et le potentiel d’allègement.

L’optimisation topologique pour déterminer la forme idéale, résistante et légère

RUAG Space a choisi Altair comme partenaire de développement, pour son expertise et sa technologie logicielle d’optimisation des structures. Les méthodes d’optimisation permettent aux industriels d’alléger leurs structures en identifiant les zones où la matière est vraiment nécessaire et où elle peut être supprimée sans nuire aux performances. L’optimisation topologique présente beaucoup de synergie avec la fabrication additive car ce procédé de fabrication permet de produire des formes qui sont très proches des formes idéales déterminées par le processus d’optimisation.

Pour réaliser ces études, une équipe composée d’ingénieurs de RUAG Space et d’Altair a utilisé le logiciel OptiStruct, qui fait partie de la suite de simulation HyperWorks d’Altair. Cette équipe a identifié un « espace de conception » dans lequel le logiciel peut travailler, puis elle a appliqué les cas de charge identifiés que subira l’antenne, durant le lancement et dans l’espace. Avec ces données d’entrée, OptiStruct a suggéré une forme idéale en ratio performance/poids, que RUAG Space et Altair ont pu utiliser comme point de départ de la conception finale. Les ingénieurs ont alors utilisé Evolve, un logiciel de modélisation de surface développé par solidThinking, une filiale à 100% d’Altair, qui permet de créer facilement des formes libres et complexes, permettant d'obtenir une conception finale très rapidement. Ainsi la validation de la conception a été obtenue en à peine quatre semaines.

Après ces étapes d’optimisation et de conception du projet, le composant a été fabriqué par EOS, partenaire de RUAG Space pour la fabrication additive. Grâce à la précision d’OptiStruct, et l’expertise des consultants d’Altair ProductDesign pour interpréter les résultats d’optimisation, la conception finale a demandé très peu d’ajustements pour répondre aux spécifications techniques d’impression d’EOS.

EOS, société basée en Allemagne, est le leader de l’impression 3D pour l’industrie, grâce à ses technologies et sa position sur le marché. EOS a apporté son expertise pour fabriquer le composant en aluminium avec son système EOS M 400. Avec 40 cm de long, le support d’antenne est l’un des composants en métal les plus longs jamais produits par la technologie DMLS. Afin de valider son usage dans l’espace, il passe actuellement une batterie intensive de tests de qualification.

La convergence des technologies d’optimisation et de fabrication additive

La synergie de ces deux technologies permet d’atteindre un nouveau palier dans la conception de structures légères. En effet, la fabrication additive permet de produire des pièces très performantes qui n’étaient pas réalisables jusque-là, du moins sans des temps et des efforts importants, avec les méthodes de production traditionnelles. La conception finale développée par RUAG Space et Altair est très proche de la forme idéale proposée par l’optimisation. Ainsi le support d’antenne conçu lors de ce projet est deux fois plus léger tout en étant plus résistant que son prédécesseur, avec un temps de développement réduit. Rappelons que des composants plus légers contribuent de façon très importante à réduire les coûts de lancement des véhicules spatiaux et des satellites.

« Notre objectif est d’équiper l’un des futurs satellites Sentinel-1 avec des composants de support d’antenne fabriqués par impression 3D industrielle » a explique M. Michael Pavloff, Chief Technical Officer de RUAG Space. « L’impression 3D présente un énorme potentiel pour notre industrie, et nous développons actuellement d’autres applications spatiales. De nouveau, nous utiliserons les technologies Altair pour la conception et l’optimisation afin de garantir une conception optimale pour l’impression 3D ».

Pour en savoir plus : www.altair.com