L'astronaute de la NASA Barry (Butch) Wilmore tient une clé à cliquet créée en 2014 avec l'imprimante 3D à bord de la Station spatiale internationale à l'aide d'un fichier de conception transmis depuis le sol. Crédit :NASA
La Station spatiale internationale abrite des astronautes en permanence depuis plus de dix-neuf ans. Les astronautes mènent des recherches scientifiques en utilisant des dizaines d'installations spéciales à bord de la station spatiale, qui leur fournit également un endroit pour manger, dormir, détendez-vous et faites de l'exercice. Pour rendre tout cela possible, il faut envoyer plus de 7, 000 livres de pièces de rechange à la station annuellement. 29 autres, 000 livres de pièces de rechange pour le matériel de vol spatial sont stockées à bord de la station et 39 autres 000 au sol, prêt à voler si nécessaire.
Ce système de soutien logistique fonctionne bien pour un vaisseau spatial en orbite à 250 milles au-dessus de la Terre et facilement accessible aux missions de réapprovisionnement en fret. Ce n'est pas pratique pour les futures missions vers la Lune et Mars, toutefois. Les astronautes de ces longs voyages doivent pouvoir fabriquer leurs propres pièces de rechange, outils et matériaux essentiellement à la demande, à la fois pour les besoins courants et pour s'adapter rapidement aux imprévus. La fabrication dans l'espace (ISM) utilisant la technologie d'impression 3D pourrait être une réponse.
Le projet ISM du Marshall Space Flight Center (MSFC) de la NASA et ses partenaires commerciaux utilisent la station spatiale pour tester diverses technologies afin de fournir cette capacité. Le groupe de modélisation basé sur la physique du centre de recherche Ames de la NASA fournit un soutien supplémentaire à l'analyse et à la modélisation.
Le projet a envoyé la première imprimante 3D à la station spatiale en 2014. Développé par Made in Space, cette imprimante a utilisé un processus de fabrication de filaments fondus (FFF), alimenter un fil continu de plastique à travers une extrudeuse chauffée et sur un plateau couche par couche pour créer un objet tridimensionnel. L'enquête 3-D Printing in Zero G a produit des dizaines de pièces, que les chercheurs ont analysés et comparés à ceux réalisés sur le terrain. L'analyse a révélé que la microgravité n'avait pas d'effets techniques significatifs sur le processus, démontrant qu'une imprimante 3D fonctionne normalement dans l'espace et ouvrant la voie à de nouveaux systèmes logistiques pour des missions de longue durée.
L'astronaute de la NASA Anne McClain installe le ReFabricator sur la station spatiale en février 2019. L'imprimante a été développée pour tester la technologie de recyclage des déchets de matières plastiques en filaments d'imprimante 3D de haute qualité. Crédit :NASA
"Notre hypothèse actuelle basée sur les travaux jusqu'à présent est que ce processus d'impression 3D particulier n'est pas affecté de manière significative par la microgravité, " a déclaré la co-chercheuse Tracie Prater, un ingénieur en matériaux à MSFC. "Il y avait quelques différences dans les ensembles de spécimens en vol et au sol, qui sont probablement attribuables à la variabilité inhérente aux constructions ultérieures communes aux processus de fabrication additive. Comme pour tout processus, il est important d'avoir un bon contrôle du processus. L'idée avec la démonstration de la technologie était de montrer que vous pouvez le faire en microgravité, et la seule façon de tester cela fonctionnait au fil du temps sur la station. "
Made in Space a ensuite développé l'Installation de Fabrication Additive (AMF), qui peut imprimer en utilisant une variété de matériaux, y compris les plastiques techniques. Une deuxième enquête, Valeurs de conception AMF-ABS, créé des pièces avec cette imprimante sur la station spatiale, à nouveau pour comparaison avec celles faites sur le terrain. "Nous avons imprimé un certain nombre de spécimens et sommes en train d'écrire l'analyse, " a déclaré Prater. " Nous avons adopté une approche de test différente, en regardant l'effet de la superposition de filaments sur les propriétés et la consistance de la pièce. Un défi est qu'il n'y a vraiment pas de normes fermes sur la façon de tester les matériaux imprimés en 3D, mais diverses organisations, dont la NASA, travaillent sur des procédures de test."
L'une des premières pièces imprimées sur la station spatiale lors de l'impression 3D en Zero G, une clé, a démontré qu'il était possible d'envoyer à distance une conception du sol à un système de fabrication à plus de 200 milles au-dessus. En plus de ses essais, l'AMF a imprimé plusieurs éléments fonctionnels, comprenant une partie antenne, un adaptateur pour tenir une sonde dans une sortie d'air sur le système de génération d'oxygène de la station, et une partie pour relier deux SPHÈRES, robots en vol libre utilisés pour la recherche sur la station spatiale.
L'utilisation de matériaux recyclés pour la matière première de l'imprimante pourrait éviter aux futures missions d'exploration de longue durée d'avoir à transporter une grande quantité de matériaux pour l'impression 3D. Le recyclage pourrait également utiliser des matériaux qui, autrement, représenteraient une nuisance ou un problème d'élimination des déchets sur ces missions. Comme étape vers cette capacité, l'enquête ReFabricator démontre la technologie développée par Tethers Unlimited pour recycler les déchets de matières plastiques, y compris les articles déjà imprimés, en filament d'imprimante 3-D de haute qualité. Il a commencé ses opérations sur la station spatiale en février 2019.
Le matériel Made in Space Recycler préparé pour le lancement vers la station spatiale pour tester le retraitement du plastique en filament d'impression 3D. Crédit :Made In Space, Inc.
"C'est une partie importante du programme, réutiliser le matériel que vous avez plutôt que d'avoir à envoyer plus de matière première, " dit Prater.
Récemment, le Made in Space Recycler a été envoyé à la station spatiale pour une enquête sur les matériaux les plus efficaces pour le recyclage en filament d'impression 3D et ceux qui peuvent résister à de multiples utilisations sans se dégrader. Cette enquête est financée et pilotée par l'ISS National Lab.
Le projet ISM travaille également au développement de plastiques à plus haute résistance et de procédés de mise à l'échelle qui utilisent du métal pour les contraintes de taille et de puissance de la station spatiale. « Si vous examinez les pièces dont vous pourriez avoir besoin pour la fabrication à la demande de pièces de rechange lors de missions d'exploration, beaucoup sont en métal, c'est donc la prochaine grande poussée, " dit Prater.
Un autre défi est l'inspection en orbite de pièces fabriquées dans l'espace, elle a dit. "Si vous allez utiliser une partie, vous devez savoir qu'il répond aux exigences de l'usage auquel il est destiné."
Finalement, L'ISM est essentiel pour les futures missions d'exploration, et tester ces systèmes de fabrication sur la station spatiale ouvre la voie pour permettre à ces missions d'être plus indépendantes de la Terre. Avec les nombreux partenaires commerciaux du projet, il représente également un aspect important des initiatives de commercialisation de l'orbite terrestre basse de la NASA. Sans oublier qu'il libère tout l'espace précédemment utilisé pour stocker les pièces de rechange.
