Fabrication and Hydrostatic Evaluation of a Meter-Scale Aluminum Propellant-Tank Demonstrator by Hybrid Wire Arc Additive and Subtractive Manufacturing

La construction de la prochaine génération de véhicules spatiaux nécessite des matériaux qui soient à la fois incroyablement résistants et assez légers pour voler. Pendant des décennies, les ingénieurs se sont appuyés sur des méthodes traditionnelles pour façonner le métal, mais ces techniques peinent souvent à créer les courbes larges et complexes nécessaires aux réservoirs de carburant. Une approche plus récente, connue sous le nom de fabrication additive par arc filaire, offre une voie différente. Au lieu de découper un bloc de métal pour l'amener à la taille voulue, cette méthode construit un objet en l'élevant, couche par couche, à l'aide d'un bras robotisé qui agit comme une torche de soudage hautement précise. Elle fait fondre un fil métallique mince et le dépose selon un motif spécifique, le fusionnant en une structure solide. Bien que cette technique soit très prometteuse pour la création rapide de pièces massives, elle est confrontée à un obstacle majeur : la chaleur intense requise pour fondre le métal provoque la déformation et la torsion du matériau lors de son refroidissement. Au fil de la construction d'un objet volumineux, ces petites déformations peuvent s'accumuler, conduisant à une forme finale trop tordue ou trop faible pour être utile.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs de la Shimizu Corporation et de l'Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA) ont entrepris de combiner la rapidité de cette méthode de construction basée sur le soudage avec la précision de l'usinage traditionnel. Ils ont développé un système hybride où un robot ne se contente pas d'ajouter du métal, mais le retire également. En intégrant un outil de fraisage et un scanner laser dans la même cellule robotisée, le système peut mesurer la hauteur de chaque nouvelle couche au fur et à mesure qu'elle est construite et ajuster la trajectoire du robot en temps réel. Si le métal s'accumule trop haut ou se déforme, le robot peut interrompre le soudage, meuler l'excédent de matière pour créer une surface parfaitement plane, puis reprendre la construction. Ce processus garantit que l'objet final conserve la forme prévue, même lorsque la chaleur tente de le désaligner. L'équipe a mis ce système à l'épreuve en construisant un modèle à échelle réelle d'un réservoir de propulseur, le type de récipient qui contiendrait le carburant d'une fusée, puis l'a soumis à une pression extrême pour voir s'il pouvait tenir.

Les chercheurs ont construit un réservoir de démonstration qui mesurait 1,1 mètre de haut, avec une section large de un mètre de large et une section plus étroite de un demi-mètre de large. Les parois de ce réservoir ont été construites à partir de fil d'alliage d'aluminium, déposées en couches pour atteindre une épaisseur de cinq millimètres. Pour maintenir la rigidité de la structure pendant le long processus d'ajout de couche après couche, l'équipe a introduit des raidisseurs en forme d'anneaux à l'intérieur du réservoir, qui ont été soudés manuellement en place avant que le robot ne reprenne son travail. Un élément critique de leur succès fut l'utilisation d'un profileur laser qui scannait la surface du réservoir dix fois par seconde pendant que le robot soudait. Cela a permis au système de vérifier constamment la hauteur du métal ajouté et d'ajuster automatiquement les mouvements du robot pour maintenir des couches uniformes. Le résultat fut une coque métallique sans couture qui conservait une épaisseur de paroi constante, malgré les défis de la construction d'un objet aussi grand avec une chaleur élevée.

Une fois le réservoir terminé, l'équipe devait vérifier s'il était assez solide pour fonctionner comme un véritable réservoir de carburant. Ils ont scellé le haut avec un couvercle métallique et ont rempli le réservoir d'eau pour effectuer un test de pression hydrostatique. Cette méthode est sûre et efficace pour tester la résistance car l'eau ne peut pas être compressée comme l'air, ce qui signifie que le réservoir n'explosera pas violemment s'il cède. Ils ont augmenté progressivement la pression à l'intérieur du réservoir, observant attentivement comment le métal s'étirait et se déformait. Le réservoir a tenu bon jusqu'à ce que la pression interne atteigne 1,7 mégapascal, moment auquel il a finalement éclaté. Cependant, la rupture s'est produite à la soudure où le couvercle soudé manuellement rejoignait le réservoir construit par le robot, et non dans le corps principal du réservoir lui-même. Cela indiquait que le joint soudé était le point le plus faible, plutôt que les parois métalliques créées par le processus additif.

La véritable mesure de la performance du réservoir est venue de l'analyse du moment où le métal a commencé à s'étirer de manière permanente, un point appelé pression de limite élastique. En mesurant la déformation à la surface du réservoir avec des jauges sensibles, les chercheurs ont découvert que la section cylindrique du réservoir commençait à céder à une pression de 1,30 mégapascal, tandis que la section bombée du bas cédait à 1,38 mégapascal. Ces chiffres étaient remarquablement proches de ce que l'équipe avait prédit à l'aide de simulations informatiques basées sur la résistance connue du fil d'aluminium utilisé. Les simulations avaient estimé une pression de limite élastique d'environ 1,37 mégapascal pour le cylindre et de 1,38 mégapascal pour le dôme. La correspondance étroite entre le test physique et le modèle informatique a confirmé que le métal produit par le processus de soudage robotisé était aussi solide que le matériau brut utilisé pour fabriquer le fil.

L'étude a également examiné si les raidisseurs annulaires internes faisaient une différence significative dans la capacité du réservoir à résister à la pression. Les modèles informatiques suggéraient que l'ajout de ces anneaux n'améliorait la résistance à la pression que d'environ cinq pour cent, un gain relativement faible. Les données expérimentales ont confirmé cela, montrant que le réservateur fonctionnait bien même sans compter lourdement sur les raidisseurs pour sa force primaire. Les chercheurs ont noté que les légères différences entre leurs prédictions et les résultats des tests réels provenaient probablement de simplifications dans leurs modèles informatiques, telles que le fait de ne pas prendre en compte la forme exacte du couvercle soudé manuellement ou les légères variations de l'épaisseur des parois. Néanmoins, la conclusion fondamentale restait claire : le système de fabrication hybride a réussi à produire un grand réservoir en aluminium complexe qui répondait aux exigences de résistance théoriques.

Ce travail démontre qu'il est possible de construire des composants aérospatiaux de l'ordre du mètre en combinant des techniques additives et soustractives sans sacrifier l'intégrité structurelle. La clé de ce succès a été la capacité de corriger les erreurs au moment où elles se produisaient, empêchant l'accumulation de défauts qui frappe habituellement les projets de soudage à grande échelle. Bien que l'équipe ait identifié des domaines d'amélioration, tels que l'amélioration de la qualité du métal aux points où le processus de soudage était redémarré, l'expérience globale a prouvé la viabilité de l'approche. Le réservoir a résisté à la pression exactement comme les lois de la physique le prédisaient, suggérant que cette méthode hybride pourrait devenir un moyen fiable de fabriquer les structures larges et légères nécessaires à l'exploration spatiale future.