Des robots forgerons ressuscitent des réservoirs toroïdaux pour la NASA
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Les robots peuvent désormais former des tôles aux géométries complexes. Les robots s'associent de chaque côté d'une feuille de métal pour former un segment d'un réservoir toroïdal. Machina Labs
Dans les années 1960 et 1970, la NASA a passé beaucoup de temps à réfléchir à la question de savoir si les réservoirs de carburant toroïdaux (en forme de beignet) étaient la solution à privilégier pour ses vaisseaux spatiaux. Les réservoirs toroïdaux présentent de nombreux avantages potentiels par rapport aux réservoirs sphériques classiques. Par exemple, vous pouvez placer près de 40 % de volume en plus dans un réservoir toroïdal que si vous utilisiez plusieurs réservoirs sphériques dans le même espace. Et peut-être plus intéressant encore, vous pouvez insérer des objets (comme l'arrière d'un moteur) au milieu d'un réservoir toroïdal, ce qui pourrait conduire à des gains d'efficacité substantiels si les réservoirs pouvaient également supporter des charges structurelles.
En raison de leur forme relativement complexe, les réservoirs toroïdaux sont beaucoup plus difficiles à fabriquer que les réservoirs sphériques. Même si ces réservoirs peuvent être plus performants, la NASA n'a tout simplement plus l'expertise nécessaire pour les fabriquer, car chacun d'entre eux doit être construit à la main par des humains hautement qualifiés. Mais une entreprise appelée Machina Labs pense pouvoir y parvenir grâce à des robots. Et sa vision est de changer complètement la façon dont nous fabriquons des objets en métal.
Le problème fondamental que Machina Labs tente de résoudre est que si l'on veut fabriquer des pièces métalliques de manière efficace et à grande échelle, le processus est lent. Les grandes pièces métalliques nécessitent leurs propres matrices personnalisées, qui sont des pièces uniques très coûteuses et aussi rigides que possible, puis des usines entières sont construites autour de ces pièces. C'est un investissement énorme, ce qui signifie que peu importe si vous trouvez une nouvelle géométrie, une nouvelle technique, un nouveau matériau ou un nouveau marché, car vous devez justifier cet énorme coût initial en produisant autant que possible de la pièce d'origine, ce qui étouffe le potentiel d'innovation rapide et flexible.
À l’autre extrémité du spectre, vous avez le processus très lent et coûteux de fabrication manuelle de pièces métalliques une par une. Il y a quelques centaines d’années, c’était la seule façon de fabriquer des pièces métalliques : des métallurgistes qualifiés utilisaient des outils manuels pendant des mois pour fabriquer des objets comme des armures et des armes. L’avantage d’un métallurgiste expert, c’est qu’il peut utiliser ses compétences et son expérience pour fabriquer n’importe quoi, ce qui est de là que vient la vision de Machina Labs, explique le PDG Edward Mehr, qui a cofondé Machina Labs après avoir passé du temps chez SpaceX, puis dirigé l’équipe d’impression 3D chez Relativity Space .
« Les artisans peuvent utiliser différents outils et les appliquer de manière créative sur le métal pour réaliser toutes sortes de choses différentes. Un jour, ils peuvent prendre un marteau et former un bouclier à partir d'une feuille de métal », explique Edward Mehr. « Ensuite, ils prennent le même marteau et créent une épée à partir d'une tige de métal. Ils sont très flexibles. »
La technique utilisée par un métallurgiste pour façonner le métal s'appelle le forgeage, qui préserve le flux de grain du métal pendant son travail. Le moulage, l'emboutissage ou le fraisage du métal (qui sont tous des moyens d'automatiser la production de pièces métalliques) ne sont tout simplement pas aussi solides ou durables que les pièces forgées, ce qui peut être un facteur de différenciation important pour (par exemple) les objets qui doivent aller dans l'espace. Mais nous y reviendrons un peu plus tard.
Le problème avec les ouvriers métallurgistes est que le rendement est faible : les humains sont lents et les humains hautement qualifiés en particulier ne s'adaptent pas bien. Pour Edward Mehr et Machina Labs, c'est là que les robots entrent en jeu.
« Nous souhaitons automatiser et faire évoluer notre activité à l’aide d’une plateforme appelée « artisan robotique ». Nos outils de base sont des robots qui nous offrent la cinématique d’un artisan humain et une intelligence artificielle qui nous donne le contrôle du processus », explique Edward Mehr. « Le concept est que nous pouvons réaliser n’importe quel processus qu’un artisan humain peut réaliser, et même certains processus que les humains ne peuvent pas réaliser, car nous pouvons appliquer plus de force avec une meilleure précision. »
Cette flexibilité offerte par les robots métallurgistes permet également de fabriquer des pièces sur mesure qu'il serait impossible de fabriquer autrement. Il s'agit notamment des réservoirs de carburant toroïdaux (en forme de beignet) que la NASA convoite depuis un demi-siècle environ .
Edward Mehr, PDG de Machina Labs (à droite), se tient derrière un réservoir de carburant toroïdal de 4,5m. Machina Labs
« Le principal défi de ces réservoirs est la complexité de leur géométrie », explique Edward Mehr. « Il y a soixante ans, la NASA les formait par bosses avec des artisans très qualifiés, mais beaucoup d’entre eux n’existent plus. » Edward Mehr explique que la seule autre façon d’obtenir cette géométrie est d’utiliser des matrices, mais pour la NASA, il serait pratiquement impossible de justifier l’utilisation d’une matrice conçue pour un réservoir de carburant qui a nécessairement été personnalisé pour un seul vaisseau spatial. « L’une des principales raisons pour lesquelles nous n’utilisons pas de réservoirs toroïdaux est qu’ils sont tout simplement difficiles à fabriquer. »
Machina Labs fabrique actuellement des réservoirs toroïdaux pour la NASA. Pour l’instant, les robots se contentent de les façonner, ce qui est la partie la plus difficile. Les humains soudent ensuite les pièces ensemble. Mais rien n’empêche les robots de réaliser l’ensemble du processus de bout en bout et de manière encore plus efficace. Pour l’instant, ils le font de manière « humaine », en s’appuyant sur les plans existants de la NASA. « À l’avenir », assure Edward Mehr, « nous pourrons effectivement former ces réservoirs en une ou deux pièces. C’est le prochain domaine que nous explorons avec la NASA : comment pouvons-nous faire les choses différemment maintenant que nous n’avons plus besoin de concevoir en fonction de l’ergonomie humaine ? »
Les « artisans robotiques » de Machina Labs travaillent en binôme pour façonner la tôle, avec un robot de chaque côté de la feuille. Les robots alignent leurs outils légèrement décalés les uns par rapport aux autres, le métal étant entre eux de telle sorte que lorsque les robots se déplacent sur la tôle, celle-ci se plie entre les outils. Machina Labs
La vidéo ci-dessus montre les robots de Machina travaillant sur un réservoir de 4,572 m de diamètre, probablement destiné à la Lune. « L'application principale concerne les atterrisseurs lunaires », précise Edward Mehr. « Les réservoirs toroïdaux abaissent le centre de gravité du véhicule par rapport à ce que l'on obtiendrait avec des réservoirs sphériques ou en forme de pilule. »
La formation de ces robots au travail du métal se fait principalement par le biais de simulations basées sur la physique que Machina a développées en interne (les logiciels existants étant trop lents), suivies d'itérations guidées par l'homme basées sur les données réelles obtenues. La façon dont le métal se déplace sous pression peut être assez bien simulée, et bien qu'il existe certainement encore un écart entre la simulation et la réalité (simuler la façon dont l'outil du robot adhère à la surface du matériau est particulièrement délicat), les robots collectent tellement de données empiriques que Machina fait des progrès substantiels vers une autonomie complète, et trouve même des moyens d'améliorer le processus.
Un exemple du type de pièces métalliques complexes que les robots de Machina sont capables de fabriquer. Machina Labs
À terme, Machina souhaite utiliser des robots pour produire toutes sortes de pièces métalliques. Sur le plan commercial, ils explorent des possibilités telles que les panneaux de carrosserie , qui permettent de modifier l'apparence de votre voiture en termes de géométrie plutôt que de couleur. La nécessité de disposer de quelques robots costauds pour faire fonctionner ce système signifie que le roboforming ne deviendra probablement pas aussi répandu que l'impression 3D, mais le concept général reste le même : faire des objets physiques un problème logiciel plutôt qu'un problème matériel pour permettre une personnalisation à grande échelle.