La NASA, la National Aeronautics and Space Administration des États-Unis, a développé un tout nouvel alliage d’impression 3D métallique spécialement conçu pour être utilisé dans les systèmes aérospatiaux hautes performances.

Alliant résistance et durabilité, le GRX-810 est un exemple d’alliage renforcé par dispersion d’oxyde (ODS) : un métal contenant des particules d’oxyde à l’échelle nanométrique. Le matériau peut résister à des températures supérieures à 1090 ° C (2000 ° F), tout en étant plus malléable que les alliages aérospatiaux existants.

La NASA a l’intention d’utiliser sa dernière innovation pour imprimer en 3D des composants à haute température pour des systèmes tels que des moteurs de fusée, affirmant qu’elle peut finalement permettre d’améliorer le rendement énergétique et de réduire les coûts de maintenance. L’agence a déjà utilisé l’alliage pour imprimer en 3D une chambre de combustion de moteur à turbine, une pièce monolithique conçue pour mélanger le carburant et l’air.

Dale Hopkins, chef de projet adjoint du projet Transformational Tools and Technologies de la NASA, a déclaré : « Les particules d’oxyde à l’échelle nanométrique transmettent les avantages de performance incroyables de cet alliage.

Une chambre de combustion de moteur à turbine imprimée en 3D à la NASA Glenn à l’aide de GRX-810. Photo via la NASA.

GRX-810 : un alliage miracle ?

En raison de la nature hostile de l’espace extra-atmosphérique, les efforts de R&D des matériaux de la NASA visent à permettre des propriétés mécaniques améliorées dans des conditions environnementales extrêmes. Le GRX-810 en est la quintessence, car il offre des « améliorations de performances remarquables » par rapport à de nombreux alliages de pointe tels que l’Inconel.

Par exemple, à 1 090 °C, le GRX-810 présente une résistance à la rupture deux fois supérieure, une ductilité et une malléabilité trois fois et demie supérieures et une durabilité sous contrainte plus de 1 000 fois supérieure à celle des « alliages de pointe ».

« Cette percée est révolutionnaire pour le développement des matériaux. De nouveaux types de matériaux plus solides et plus légers jouent un rôle clé alors que la NASA vise à changer l’avenir du vol », ajoute Hopkins. « Auparavant, une augmentation de la résistance à la traction réduisait généralement la capacité d’un matériau à s’étirer et à se plier avant de se casser, c’est pourquoi notre nouvel alliage est remarquable. »

Un nouveau procédé de développement d’alliage

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L’impressionnant mélange de caractéristiques du GRX-810 est dû, en grande partie, au nouveau processus de développement d’alliage de la NASA. Dans ce cas, la technologie d’impression 3D a été combinée à la modélisation thermodynamique pour obtenir les performances révolutionnaires du matériau.

Les alliages ODS ont tendance à être difficiles et coûteux à développer, de sorte que les chercheurs de la NASA ont d’abord dû utiliser des modèles informatiques pour affiner la composition du GRX-810. L’équipe s’est appuyée sur la modélisation thermodynamique pour déterminer exactement quels métaux combiner et en quelles quantités. Ensuite, les chercheurs ont utilisé l’impression 3D à base de laser pour disperser uniformément les oxydes à l’échelle nanométrique dans la matrice de l’alliage, ce qui fournit les propriétés de résistance à la température et de résistance.

Selon Hopkins, le processus de développement d’ODS prend généralement des années et repose en grande partie sur des essais et des erreurs. Grâce à cette nouvelle combinaison de modélisation informatique et d’impression 3D, les chercheurs ont réussi à réduire le temps de développement à quelques semaines seulement. Dans le cas du GRX-810, l’approche de modélisation thermodynamique a permis à l’équipe de la NASA de découvrir la composition optimale de l’alliage en seulement 30 simulations.

« L’application de ces deux processus a considérablement accéléré le rythme de développement de nos matériaux. Nous pouvons désormais produire de nouveaux matériaux plus rapidement et avec de meilleures performances qu’auparavant », a déclaré Tim Smith, chercheur en matériaux au Glenn Research Center de la NASA à Cleveland.

Centre de recherche Glenn de la NASA.  Photo via la NASA.
Centre de recherche Glenn de la NASA. Photo via la NASA.

Le secteur aérospatial au sens large n’est pas étranger à la technologie d’impression 3D métallique. Ce mois-ci, le fabricant de systèmes de propulsion Aerojet Rocketdyne a utilisé l’impression 3D pour optimiser un composant clé de son quadruple propulseur RCS (Reaction Control System) à l’aide du logiciel de conception de nTopology. La nouvelle pièce de moteur spatial de l’entreprise est désormais 67% plus légère tout en réduisant le coût de production global du propulseur de 66% pour permettre une exploration lunaire plus rapide et plus durable.

Ailleurs, le géant de l’aérospatiale Boeing a récemment dévoilé une nouvelle installation d’impression 3D à haut débit pour la production et les tests de petits satellites. S’étendant sur un million de pieds carrés, l’installation est située dans la plus grande usine de satellites au monde à El Segundo et sera alimentée par la filiale Millennium Space Systems de Boeing. Afin d’augmenter les délais de livraison rapides pour les petits satellites, l’installation imprimera en 3D des bus satellites complets qualifiés pour l’espace et devrait être pleinement opérationnelle fin 2022.

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L’image en vedette montre une chambre de combustion de moteur à turbine imprimée en 3D à la NASA Glenn à l’aide de GRX-810. Photo via la NASA.