L'ESA et Zortrax réalisent une impression 4D pour l'espace

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Brisant les barrières et redéfinissant l'avenir, le fabricant polonais d'imprimantes 3D Zortrax a ouvert la voie au développement des technologies d'impression 4D après un projet d'un an avec l'Agence spatiale européenne (ESA) pour faire progresser l'exploration spatiale.

En tirant parti de la puissance de l'imprimante 3D M300 Dual de Zortrax et d'une version sur mesure de Z-SUITE, leur logiciel d'impression 3D propriétaire, l'équipe R&D de Zortrax a créé des structures 3D complexes. Ces conceptions de pointe ont été construites à l'aide de polymères à mémoire de forme et de matériaux électriquement conducteurs, agissant respectivement comme des actionneurs et des éléments chauffants réactifs.

La collaboration de ces matériaux a donné naissance à des démonstrateurs technologiques capables de présenter trois types de mouvements : flexion, torsion et déploiement. Impressionnant, chaque mouvement peut être activé en appuyant sur un bouton. Avec la conclusion réussie de ce projet ambitieux, Zortrax se tient maintenant au seuil de projets avancés avec un potentiel de financement substantiel, prêt à propulser le développement de cette technologie et à amener l'impression 4D activée électriquement dans le domaine des missions spatiales.

En utilisant sa technologie d'impression 3D à double extrusion avec des matériaux avancés, le processus peut construire des mécanismes fiables et légers. De plus, ces mécanismes fonctionnent indépendamment d'actionneurs, de moteurs ou de circuits de commande séparés, marquant une avancée significative pour d'autres secteurs de haute technologie, notamment l'aviation, la production d'énergie et la défense.

En plongeant dans le monde de l'impression 4D, vous découvrirez l'intrigante quatrième dimension : le temps. Avec le temps comme variable supplémentaire, les objets imprimés peuvent adapter leur géométrie et d'autres propriétés en réponse à divers stimuli, tels que la température, l'humidité ou un courant électrique, un peu comme une structure d'origami qui se déploie lorsqu'elle est chauffée.

Le concept a commencé à gagner du terrain vers 2013 lorsque Skylar Tibbits, codirecteur du laboratoire d'auto-assemblage au Massachusetts Institute of Technology (MIT), a commencé à discuter et à promouvoir le concept lors de diverses conférences technologiques. En conséquence, Tibbits est souvent crédité d'avoir inventé le terme "impression 4D".

Selon Michał Siemaszko, responsable de la R&D chez Zortrax, "l'impression 4D a suscité beaucoup d'intérêt dans l'industrie spatiale car, en théorie, la technologie pourrait permettre aux ingénieurs et aux concepteurs de missions de réduire le poids des structures déployables comme les antennes, les perches ou divers capteurs. Le poids de ces structures fabriquées de manière traditionnelle est toujours la somme de la structure elle-même et du mécanisme de déploiement. Mais s'il était possible de se débarrasser complètement des mécanismes de déploiement, ils pourraient être encore plus légers et plus petits.

Démonstrateur de dépliage activé électriquement réalisé avec la technologie d'impression 4D. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Zortrax.

Bien que la promesse de l'impression 4D soit indéniable, elle ne va pas sans son lot d'obstacles. Par exemple, la technologie exige des matériaux "intelligents" adaptés qui peuvent transformer de manière fiable leur forme ou leurs propriétés au fil du temps en réponse à des stimuli spécifiques. De plus, contrôler l'environnement pour déclencher ces changements, en particulier dans les conditions difficiles de l'espace, présente un défi unique. Néanmoins, grâce au financement de l'ESA, Zortrax a travaillé sur un concept pour résoudre ces problèmes.

"Le stimulus le plus couramment utilisé pour l'activation des mécanismes imprimés en 4D est la température. En ce qui concerne les applications spatiales, l'amplitude du changement de température peut être très importante et même si elle peut être utilisée comme déclencheur pour l'activation du changement de forme, il peut être difficile de Ainsi, dans les systèmes spatiaux, il est plus facile de contrôler l'apport électrique », explique Ugo Lafont, ingénieur en physique et chimie des matériaux à l'ESA. "L'idée derrière ce projet était de tirer parti de la capacité de changement de forme induite thermiquement, mais en utilisant une activation plus contrôlée via la chaleur générée par le courant électrique. De tels concepts sont en cours d'évaluation en raison de leur potentiel à réduire le nombre de pièces dans des systèmes complexes tout en conservant leur capacité à fournir un mouvement et un actionnement contrôlés à la demande. »

Le voyage pour créer des mécanismes imprimés en 4D s'articule autour de trois composants essentiels, a expliqué l'équipe de Zortrax : les bons matériaux, un logiciel performant et une imprimante 3D compétente. Zortrax a relevé le défi en développant un filament à mémoire de forme personnalisé avec une température de transition vitreuse impressionnante de 75℃, 50% plus élevée que tout autre produit disponible. Après des tests approfondis, ce matériau s'est avéré idéal pour les systèmes d'impression 4D pionniers.

En poursuivant l'impression 4D, l'équipe Zortrax a reconnu le besoin de filaments électriquement conducteurs. Ces filaments seraient des éléments chauffants activés électriquement, déclenchant l'effet de mémoire de forme. Le processus de sélection s'est avéré simple car plusieurs filaments facilement disponibles répondaient aux spécifications nécessaires. Après une phase de test complète qui a évalué les propriétés thermiques et électriques, Fiberforce Nylforce Conductive est apparu comme le filament de choix pour chauffer le polymère à mémoire de forme dans les mécanismes imprimés en 4D.

Après la sélection des matériaux, l'équipe s'est concentrée sur le processus d'impression. L'objectif était d'utiliser l'impression 3D bi-matière, une méthode qui permet de créer des pièces à partir de deux matériaux distincts. Pour y parvenir, il a fallu combiner une version expérimentale du logiciel Z-SUITE, initialement développé pour l'ESA, et les capacités de double extrusion de l'imprimante 3D M300 Dual. De plus, cette imprimante présente de manière unique deux têtes d'impression opérationnelles, facilitant le processus bi-matière.

Dans le cadre de son obligation contractuelle avec l'ESA, Zortrax a également conçu trois démonstrateurs d'impression 4D distinctifs. Chacun d'entre eux présentait un type différent de mouvement activé électriquement : flexion, torsion et déploiement, soulignant l'impressionnante polyvalence de l'impression 4D.

Démonstrateur de mouvement rotatif activé réalisé avec la technologie d'impression 4D. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Zortrax.

Maître d'œuvre pour l'ESA, Zortrax a travaillé sur d'autres projets d'impression 3D avec l'agence au-delà de son projet d'impression 4D révolutionnaire. Par exemple, à l'aide de son imprimante 3D M200, Zortrax 3D a imprimé une antenne satellite en 2018 pour tester les performances du système de communication par satellite. Un an plus tard, les deux se sont associés pour développer une technologie d'impression 3D pour l'exploration spatiale afin de produire des pièces pour engins spatiaux et satellites dans l'espace.

Un autre des projets comprenait des améliorations de l'imprimante 3D industrielle Endureal pour la production de pièces composites hautes performances. Plus récemment, Zortrax a certifié son filament Z-PEEK haute température – compatible avec le Zortrax Endureal – qui a rejoint les quelques polymères adaptés à une utilisation dans l'espace. Cela signifie que les pièces imprimées en 3D avec Z-PEEK sur l'imprimante 3D Zortrax Endureal peuvent être lancées dans des missions spatiales, à condition que d'autres exigences spécifiques à l'application soient également remplies. Grâce à ces initiatives innovantes, Zortrax continue de consolider son empreinte dans le secteur aérospatial, en stimulant le progrès et en établissant de nouvelles normes de l'industrie.

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