Bras articulé imprimé en 3D pour le montage optique avec une précision maximale

Le bras de préhension – l'outil central pour l'alignement de haute précision des composants spatiaux – se compose d'une partie fixe et d'une partie mobile. © Fraunhofer ILT, Aachen. / The gripper arm – the central tool for the high-precision alignment of space components – consists of a static and a moving part. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany.

Représentation artistique de l'instrument MERLIN basé sur la plateforme satellite Myriade. © CNES/illustration David DUCROS, 2016. / Une impression d'artiste de l'instrument MERLIN basé sur la plateforme satellite Myriade. © CNES/illustration David DUCROS, 2016.

Depuis plusieurs années, le Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT à Aachen développe et assemble des systèmes laser pour l'utilisation dans l'espace. Parallèlement, les scientifiques d'Aachen recherchent également des technologies pour l'impression 3D métallique. Avec la méthode Laser Powder Bed Fusion (LPBF), un nouveau bras de préhension de précision en métal en poudre a été développé et construit pour la première fois en collaboration avec la chaire de Production Additive Numérique DAP – une innovation pour l'assemblage de composants spatiaux en salle blanche ! Le bras de préhension est plus léger que son prédécesseur tout en étant suffisamment stable pour monter et ajuster avec une précision extrême des optiques laser plus lourdes.

Systèmes laser pour l'utilisation dans l'espace

Test de vibration et chambre climatique – ce sont des étapes typiques lors de la qualification d'un système laser pour une utilisation dans l'espace. Malgré des charges élevées, ces systèmes doivent rester ajustés avec une précision micrométrique pour pouvoir fonctionner en toute sécurité dans l'espace.

Au Fraunhofer ILT à Aachen, la technique de montage de tels systèmes laser a été développée et constamment améliorée au cours des dernières années. Les experts du Fraunhofer ILT collaborent avec des partenaires tels que le DLR, Airbus Defence and Space, TESAT Spacecom ainsi que l'ESA pour construire des systèmes optiques complexes. Pour la construction de ces systèmes optiques, des technologies de pointe sont utilisées : toutes les étapes d'ajustement essentielles sont réalisées avec des robots guidés manuellement selon la méthode Pick & Align. Un outil central est le bras de préhension. Il est monté sur un hexapode et positionne les composants avec une précision micrométrique dans la configuration optique. Ceux-ci sont ajustés à quelques microradians près et fixés par soudure. La conception du bras de préhension est cruciale pour la précision de l'assemblage et détermine également le poids maximal des composants optiques.

Avec un design bionique et des méthodes additifs pour une plus grande capacité de charge

Pour améliorer encore la performance de la technologie de montage, le Fraunhofer ILT a développé un tout nouveau bras de préhension. Après sa conception, les collègues de la chaire de Production Additive Numérique DAP de l'Université RWTH Aachen ont également conçu les structures bioniques de manière à augmenter la charge utile tout en conservant un poids propre réduit. Le bras de préhension optimisé par topologie a finalement été fabriqué via LPBF, également à la chaire DAP. Grâce à un traitement postérieur spécifique, le bras de préhension atteint la classe de salle blanche ISO5. C'est une innovation absolue – jusqu'à présent, la présence de restes de poudre sur les composants empêchait l'utilisation de méthodes additives pour de tels outils de précision en salle blanche. Le nouveau bras de préhension est divisé en deux parties : une partie statique et une partie mobile. Des conduites pour les médias nécessaires sont intégrées dans le bras pour minimiser la contamination.

Pour les missions du futur

Cet outil de précision déplace des pièces nettement plus lourdes que l'outil utilisé jusqu'à présent, tout en permettant un ajustement plus stable. « Nous empruntons avec cette technologie une voie nouvelle pour nous. Il ne s'agit pas simplement de concevoir puis de vérifier si la pièce possède les propriétés souhaitées, mais la géométrie de la pièce est optimisée pour les scénarios de charge », décrit Michael Janßen, qui conçoit depuis des années les préhenseurs pour l'assemblage au Fraunhofer ILT, la démarche.

Le nouveau préhenseur est utilisé dans le cadre de FULAS – une plateforme technologique universelle que les Aachenois ont développée pour la construction de systèmes laser dans des projets aérospatiaux et spatiaux. « Nous avons intégré dans la fabrication du nouveau bras de préhension l'ensemble de l'expérience acquise lors du développement de FULAS », résume le chef de projet Heinrich Faidel du Fraunhofer ILT. Un système basé sur FULAS est actuellement en cours de construction pour la mission climatique franco-allemande MERLIN (Methane Remote Sensing Lidar Mission). Le petit satellite MERLIN doit être lancé dans l'espace depuis Kourou, en Guyane française, afin de cartographier la distribution du méthane dans l'atmosphère terrestre. La composante centrale du satellite est un laser LIDAR, qui envoie des impulsions lumineuses dans l'atmosphère et détermine la concentration de méthane à partir de la lumière diffusée en retour.