Le Marshall Space Flight Center de la NASA développe un trio de nouvelles technologies additives et de fraisage pour créer une tuyère de fusée imprimée en 3D, de conception plus simple que celle des fusées comparables, mais capable de supporter des températures et des pressions extrêmes. Fabriqué par un nouveau procédé baptisé Laser Wire Direct Closeout (LWDC), un prototype de tuyère a été allumée avec succès pendant plus de 1040 secondes accumulées.
Les tuyères de fusée ont une fonction très simple mais importante d’expansion et d’accélération des gaz de combustion ou autres propulseurs d’une fusée. Dans les moteurs à fusée solide très simples, cette tuyère peut être un bouchon de métal fraisé, mais dans des fusées à carburant liquide plus grandes et plus avancées, ce sont des constructions très compliquées qui font circuler du carburant froid autour de la tuyère pour la protéger des gaz chauds et à haute pression de la chambre de combustion.
Le problème est que ces tuyères doivent être fabriquées à partir de nombreuses pièces, ce qui rend les prototypes de construction lents et coûteux. L’impression 3D peut simplifier cela en permettant aux ingénieurs de produire une tuyère avec beaucoup moins de pièces qui peuvent être produites rapidement et à moindre coût, ce qui permet un prototypage rapide.
Les ingénieurs du département de propulsion du Centre de vol spatial Marshall de la NASA examinent les buses fabriquées à l’aide d’un procédé de dépôt de fil d’énergie à forme libre
Le LWDC développé par la NASA est une avancée sur les méthodes d’impression de métaux à base de poudre plus conventionnelles. Dans ce dernier cas, la poudre d’alliage métallique est étalée en couches, qui sont fondues selon le motif désiré en utilisant des lasers ou des faisceaux d’électrons. Le LWDC est plus libre en termes de forme, utilisant des faisceaux d’énergie dirigée pour fondre les fils métalliques et déposant directement le métal en fusion d’une manière similaire à celle utilisée dans l’impression 3D plastique. Selon l’agence spatiale, le LWDC peut réduire le temps de fabrication de mois en semaines.
La NASA utilise le LWDC conjointement avec un procédé de broyage par jet d’eau abrasif et une technologie de dépôt à base d’arc. Les trois nouvelles technologies ont été utilisées pour fermer précisément les canaux de refroidissement à l’intérieur de la tuyère pour former une gaine de support et pour fabriquer le revêtement afin de contenir les canaux fraisés par jet d’eau.
« Notre motivation derrière cette technologie était de développer un processus robuste qui élimine plusieurs étapes dans le processus de fabrication traditionnel », explique Paul Gradl, ingénieur en propulsion senior au sein de la branche de développement des composants moteurs et technologie de Marshall Space Flight Center. « Le processus de fabrication est encore compliqué par le fait que la paroi chaude de la tuyère a seulement l’épaisseur de quelques feuilles de papier et doit supporter des températures et des contraintes élevées pendant le fonctionnement. »
La NASA affirme que cette technologie, développée dans le cadre du programme Small Business Innovation Research de l’agence en partenariat avec Keystone Synergistic de Port St. Lucie en Floride, sera autorisée pour des applications commerciales afin de stimuler les petites entreprises.
