La NASA étudie le soudage par faisceau laser pour la fabrication additive dans l’espace

Depuis la fin des années 1990, la NASA explore les possibilités de la fabrication additive. Initialement, l’agence utilisait l’impression 3D avec des matériaux plastiques, puis a intégré le métal au début des années 2000 pour concevoir des prototypes. Dans les années 2010, elle a franchi un nouveau cap en imprimant des moteurs de fusée en 3D. Actuellement, la NASA se concentre sur le soudage par faisceau laser dans l’espace, une technique innovante de fabrication additive. Bien que des soudures aient déjà été réalisées dans l’espace, la dernière remonte à la mission Skylab de 1973. Face à une demande croissante pour des capacités de fabrication spatiale, la NASA revient à cette technologie, en adoptant cette fois le faisceau laser. Le Marshall Space Flight Center, situé à Huntsville (Alabama), et l’Ohio State University à Columbus collaborent pour simuler des opérations de fabrication dans l’espace en exploitant cette technique. Ce projet, soutenu financièrement en partie par Marshall, est en cours depuis plus de deux ans. Il réunit étudiants, professeurs de l’université, ainsi que des ingénieurs des différents centres de la NASA.

Le soudage par faisceau laser, une méthode de dépôt de matière sous énergie concentrée (DED), est couramment employé pour réparer des pièces ou en fabriquer de nouvelles à partir de zéro. Ce procédé fonctionne en faisant fondre un matériau, généralement métallique, au moment de son dépôt par une buse. Dans le domaine de la fabrication spatiale, cette technique et des procédés similaires peuvent être utilisés pour effectuer des réparations, mais aussi pour construire des structures de grande envergure. Le soudage en milieu spatial pourrait ainsi transformer la construction en accélérant la mise en place d’habitats de grande taille en orbite terrestre basse, ou encore de structures essentielles aux vaisseaux spatiaux, contribuant à la sécurité des astronautes.

Un article de la NASA rapporte que le projet mené conjointement par le Marshall Space Flight Center et l’Ohio State University se concentre sur l’étude des processus physiques liés au soudage sur la surface lunaire. L’objectif est d’analyser les effets du soudage par faisceau laser dans des conditions combinant vide spatial et gravité réduite. En approfondissant la compréhension de cette technologie dans un tel environnement, l’équipe ambitionne d’élargir les capacités de fabrication dans l’espace. Cela pourrait permettre l’assemblage de structures de grande envergure ou la réalisation de réparations directement sur la Lune.

Le processus de soudage par faisceau laser à la NASA

Andrew O’Connor, spécialiste des matériaux au Marshall Space Flight Center, occupe le rôle de responsable technique de la NASA pour ce projet. Il supervise également la coordination entre la NASA et l’Ohio State University. En évoquant le recours au soudage, il souligne : « Pendant longtemps, nous avons utilisé des attaches, des rivets ou d’autres solutions mécaniques pour assembler des structures dans l’espace. Cependant, nous réalisons que pour obtenir des joints et des structures véritablement solides, capables de résister aux conditions lunaires, il pourrait être indispensable d’introduire la soudure dans l’espace. »

Les chercheurs ont mené des tests de soudure dans des conditions simulant l’espace, en étudiant des facteurs tels que la température, le transfert de chaleur dans le vide, ainsi que la taille et la forme de la zone de fusion sous l’effet d’un faisceau laser. Ils ont également examiné la structure transversale des soudures après solidification et analysé l’évolution de leurs propriétés mécaniques dans des environnements similaires à celui de la surface lunaire. Selon Andrew O’Connor, en combinant expériences pratiques et modélisations informatiques, l’équipe est capable de prévoir les performances des soudures dans l’espace tout en restant au sol.

En août 2024, les programmes multidisciplinaires Capstone et d’ingénierie du soudage de l’Ohio State University, ont réalisé des essais de soudage par faisceau laser à fibre de haute puissance à bord d’un avion commercial simulant une gravité réduite. Grâce à des manœuvres de vol paraboliques, l’avion a généré environ 20 secondes d’apesanteur par cycle, permettant à l’équipe de mener des expériences de soudage laser dans des environnements simulant l’orbite terrestre basse et la gravité lunaire. Pendant les essais, un réseau de capteurs a collecté des données, qui seront analysées pour mieux comprendre l’impact des conditions spatiales sur le processus de soudage et sur les propriétés des matériaux soudés.

Will McAuley, étudiant en ingénierie du soudage à l’Ohio State University, a souligné le succès de la mission : « Lors des vols, nous avons réussi 69 des 70 soudures prévues dans des conditions de microgravité et de gravité lunaire, ce qui fait de cette campagne un véritable succès. » Il a également noté que les recherches sur le soudage par faisceau laser, au-delà de leur contribution au développement de l’économie spatiale, apporteront des avancées pour améliorer les processus de soudage dans l’industrie manufacturière sur Terre. Pour en savoir plus sur le projet de Marshall avec l’État de l’Ohio, cliquez ICI.

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*Crédits photo de couverture : L’équipe surveille le soudage par faisceau laser dans une chambre à vide pendant un vol parabolique du Boeing 727 (Credits : Tasha Dixon).