Le soudage par ultrasons fabrique des pièces pour les missions de la NASA, l’industrie commerciale

Le soudage par ultrasons fabrique des pièces pour les missions de la NASA, l'industrie commerciale

Ce radiateur imprimé en 3D pour un CubeSat combine de l’aluminium et un petit peu de cuivre pour permettre à la chaleur de se répandre plus uniformément sur le visage. Fabrisonic a pu combiner les métaux en utilisant des techniques de fabrication additive qui utilisent le soudage par ultrasons.Crédit: Fabrisonic LLC

Une innovation de fabrication qui a des applications pour les engins spatiaux de la NASA est transférée au secteur privé pour soutenir une variété d’industries ici sur Terre.

Une conduite d’eau éclatée est toujours chère et salissante, mais un tuyau qui tombe en panne dans l’espace peut mettre fin à la mission. C’est pourquoi les technologues de la NASA travaillent dur pour rendre le matériel aussi fiable que possible. Parfois, cela signifie abandonner l’ancienne façon de faire et expérimenter un tout nouveau matériau – ou processus de fabrication.

Ce défi a incité Scott Roberts, technologue au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, à se tourner vers un nouveau type de soudage dans l’industrie de l’impression 3D. Le secteur privé utilisait déjà cette technique, appelée fabrication additive par ultrasons (UAM). Avec une innovation supplémentaire, Roberts a pensé qu’il pourrait être utilisé pour améliorer la fiabilité des échangeurs de chaleur, un composant crucial de tout vaisseau spatial. Les améliorations qu’une entreprise a apportées à son processus UAM pour aider Roberts à construire de meilleurs engins spatiaux commencent maintenant à porter ses fruits dans les industries de l’aéronautique au forage pétrolier.

« Les problèmes sur lesquels je travaille ne résolvent pas un problème pour une mission », a déclaré Roberts. « Ils vont résoudre une catégorie de problèmes pour la NASA et l’industrie. »

Qu’est-ce que l’impression 3D a à voir avec les tuyaux?

La température est un problème particulièrement difficile dans l’espace, où les extrêmes peuvent varier de plusieurs centaines de degrés. Les échangeurs de chaleur aident à maintenir une température constante à l’intérieur d’un vaisseau spatial en éliminant l’excès de chaleur ou en aspirant davantage. Traditionnellement, ces dispositifs comprennent un long tuyau serpentant fixé à une plaque métallique avec des supports et de l’époxy. Bien qu’efficaces, ils se composent de nombreuses pièces interconnectées, introduisant de nombreux points de défaillance potentiels.

Avec la fabrication additive par ultrasons, cependant, l’ensemble du dispositif peut être fabriqué en une seule pièce. Le financement SBIR (Small Business Innovation Research) fourni par JPL a permis à Roberts de travailler avec Fabrisonic LLC, basée à Columbus, dans l’Ohio, sur une nouvelle conception d’échangeur de chaleur. En tant que sous-traitant de Sheridan Solutions LLC, Fabrisonic a commencé avec un processus existant qui construit plusieurs couches minces de métal en les fusionnant avec des vibrations à haute fréquence. Pour créer l’échangeur de chaleur, un canal incurvé est creusé dans le métal en couches puis enfermé sous des couches supplémentaires.

La nouvelle conception remplace des dizaines de petites pièces et joints qui pourraient échouer lors d’une mission à long terme ou dans des conditions extrêmes sur Terre.

Comment les vibrations peuvent-elles fusionner le métal?

Le soudage par ultrasons utilise le son et la friction pour créer une liaison à l’état solide entre les couches de métal. Cela commence par une fine feuille pressée sur un autre composant métallique tel qu’une plaque de base. La pression constante et les vibrations ultrasoniques provoquent une friction entre les côtés en regard, créant un mouvement de cisaillement qui augmente les températures et élimine les oxydes de surface, permettant un contact direct du métal pur avec le métal pur. Le résultat est une liaison atomique à l’état solide qui soude des couches de métal ensemble. Même des couches de différents métaux peuvent être collées en une seule pièce.

Il faut relativement peu de chaleur car la température de liaison des métaux est nettement inférieure à leur température de fusion. Fabrisonic peut rapidement assembler des couches aussi grandes que six pieds carrés, ce qui permet de créer une pièce avec une géométrie complexe en quelques jours, plutôt que les mois requis par les pratiques de fabrication traditionnelles. Cela raccourcit le cycle de développement d’un vaisseau spatial ou accélère la fabrication de pièces commerciales.

Le soudage par ultrasons fabrique des pièces pour les missions de la NASA, l'industrie commerciale

Les CubeSats peuvent être utilisés pour une variété de tâches, mais leur petite taille rend difficile l’ajustement de toutes les pièces ainsi que le blindage nécessaire pour gérer les températures extrêmes de l’espace. La NASA s’intéresse aux nouvelles techniques de fabrication qui permettent une utilisation plus efficace des matériaux. Crédit: NASA

Pourquoi combiner différents métaux?

Protéger les composants électroniques contre les radiations spatiales intenses qui peuvent les détruire est un défi lorsque tout sur un vaisseau spatial doit être léger. C’est un problème que Roberts essaie de résoudre en utilisant de nouveaux matériaux. Un financement SBIR supplémentaire fourni par le Langley Research Center de la NASA à Hampton, en Virginie, a permis à Fabrisonic d’ajouter des couches de tantale métallique résistant aux radiations au milieu des pièces en aluminium du vaisseau spatial.

Contrairement à d’autres formes de soudage, l’UAM ne provoquera pas la liquéfaction et le mélange des différents métaux. Les ingénieurs peuvent compter sur les propriétés de chaque métal pour rester constantes et fonctionner comme prévu, a déclaré Mark Norfolk, président de Fabrisonic. Cette qualité a démontré que la NASA pouvait atteindre son objectif de combiner l’aluminium et le tantale.

La capacité de fusionner des couches de différents métaux présente également des avantages pour les clients de l’industrie pétrolière et gazière, qui comptent désormais sur diverses pièces Fabrisonic pour le forage, a noté Norfolk. L’un est un tube de forage de puits – un tube creux à paroi mince qui combine des matériaux différents et utilise des capteurs intégrés.

Pourquoi mettre des capteurs à l’intérieur du métal?

Les nouveaux capteurs à fibre optique peuvent détecter les tensions ou les faiblesses du métal et prédire les pannes possibles avant qu’elles ne se produisent. Mais le métal fabriqué selon des méthodes traditionnelles ne peut supporter ces capteurs qu’à l’extérieur de la pièce. Dans une tentative de les intégrer, la chaleur utilisée dans le processus de fabrication détruirait les dispositifs délicats.

D’autres financements SBIR de Langley ont aidé Fabrisonic, à nouveau en tant que sous-traitant de Sheridan, à tester l’efficacité des capteurs intégrés à l’intérieur de pièces en aluminium par soudage par ultrasons. Après quelques essais et erreurs pour trouver les meilleurs capteurs pour une application aussi innovante, les ingénieurs ont pu obtenir des données précises et en temps réel sur la santé et les performances du métal. Parce que les capteurs sont protégés, ils peuvent fonctionner dans des environnements difficiles. Le laboratoire national d’Oak Ridge au Tennessee, qui mène des recherches sur l’énergie et le nucléaire, utilise avec succès les capteurs embarqués de Fabrisonic dans ses installations. Dans les tests aéronautiques de la NASA, ces capteurs Fabrisonic aident à détecter les faiblesses et les problèmes de performances des cellules commerciales.

Et si je veux imprimer moi-même de petites pièces?

Le centre de vol spatial Marshall de la NASA à Huntsville, en Alabama, a financé l’exploration de Fabrisonic sur l’utilisation de matériaux métalliques avancés et d’UAM pour la fabrication dans l’espace, cette fois en tant que sous-traitant sur les contrats SBIR de phase I et II avec une société d’automatisation de machines appelée Ultra Tech. Machinery Inc. Les ingénieurs de l’agence ont travaillé avec Fabrisonic pour développer une petite imprimante UAM à utiliser sur la station spatiale. L’entreprise avait un design prêt mais ne savait pas si cela fonctionnerait. Les spécifications de la NASA ont permis de construire, tester et affiner le composant le plus important de l’imprimante – la tête de soudage. Cette partie transfère la vibration ultrasonique sur le ruban métallique utilisé dans l’imprimante.

Miniaturiser cette technologie pour fabriquer des pièces plus petites offre une approche plus rentable que l’utilisation d’un processus industriel UAM. Les ventes commerciales de l’imprimante SonicLayer 1200 résultante de la société ont généré un chiffre d’affaires de 1 million de dollars, un client produisant plus de 70 000 pièces en interne.

Le succès commercial a permis à l’entreprise de développer une clientèle diversifiée et de doubler sa taille, passant à 12 employés.

«Sans SBIR et autre soutien du gouvernement, Fabrisonic n’aurait peut-être pas franchi le gouffre entre le démarrage et le succès commercial», a déclaré Norfolk. « Il a permis d’importants travaux de recherche et de développement. Il rend disponibles des informations essentielles, telles que des données de caractérisation des matériaux et des études de cas qui aident à diffuser la technologie. »


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Citation: Le soudage par ultrasons fabrique des pièces pour les missions de la NASA, l’industrie commerciale (2021, 31 mai) récupéré le 31 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-ultrasonic-welding-nasa-missions-commercial.html

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