La neige garantit la propreté lors des missions spatiales

Même les plus petites particules de poussière ou résidus de fabrication peuvent nuire aux performances des satellites.
C'est pourquoi des exigences de propreté extrêmement strictes doivent être respectées lors de la fabrication. (Source de l'image : OHB System) / Since even tiniest grains of dust or particles of manufacturing residues can impair the performance of satellites, extreme high cleanliness requirements have to be fulfilled. (Photo credit: OHB System)

Pour le nettoyage des structures en CFRP des satellites – ici avec un faisceau de câbles intégré et des composants thermiques – OHB System et acp ont conçu une solution qui permet de prouver la propreté pendant le processus de nettoyage. (Crédit photo : OHB System)

Grâce aux deux pointeurs laser intégrés dans la tête de la buse, la distance optimale par rapport aux surfaces intérieures à nettoyer peut être réglée. (Crédit photo : OHB System)

Le déflecteur est placé sur la fourche de la machine de nettoyage à l'aide d'une grue. Grâce à l'intégration d'un système de caméra dans la tête de la buse, l'ensemble du processus de nettoyage est visible en direct sur l'écran. (Source de l'image : acp systems) / The baffle is placed on the fork of the cleaning machine by crane. A camera system integrated into the nozzle head displays the entire cleaning process live on the screen. (Photo credit: acp systems)

La tête de buse pivotante est montée sur une lance, à travers les ouvertures de laquelle les contaminants détachés sont aspirés. La preuve de propreté est fournie par des compteurs de particules intégrés dans le flux d'air extrait. (Crédit photo : acp Systems)

Lorsqu'il s'agit de la performance des satellites et de leur utilisation réussie dans l'espace, même les plus petites particules de poussière ou les résidus de fabrication particulaires peuvent être déterminants. Un acteur mondial de l'industrie spatiale internationale utilise la technologie de projection de neige quattroClean, une solution pour le nettoyage intérieur des structures de baffes et de composites en fibre de carbone (CFK) avec ou sans faisceau de câbles intégré, permettant une vérification simultanée du résultat du nettoyage.

Le groupe spatial et technologique familial, coté en bourse, OHB SE, est l'un des trois principaux acteurs de l'industrie spatiale européenne. Divisé en les secteurs Space Systems, Aerospace et Digital, le groupe emploie environ 2 800 collaborateurs. En tant que plus grande filiale, OHB System AG, basée à Brême avec une autre implantation à Oberpfaffenhofen, possède plus de quarante ans d'expérience dans le développement de solutions high-tech pour l'espace et d'autres domaines d'application, où les matériaux composites comme le CFK jouent un rôle important. Le portefeuille de produits et de services de l'entreprise comprend la réalisation de systèmes satellitaires complets pour l'observation de la Terre, la navigation, les télécommunications, la science et la reconnaissance, ainsi que la planification et la mise en œuvre de missions d'exploration spatiale et le développement de systèmes pour la navigation spatiale habitée. En tant qu'entreprise système, OHB System collabore avec des entreprises nationales et internationales de premier plan pour associer technologies et nouvelles solutions.

Respecter et démontrer des spécifications de propreté élevées

Cela s'applique également dans le domaine des technologies de nettoyage. En effet, à un mauvais endroit, même les résidus de fabrication particulaires minimaux peuvent compromettre la performance d'une mission, dont l'entreprise porte la responsabilité. « Nous avons donc créé il y a onze ans le département de la propreté et du contrôle de la contamination. Aujourd'hui, onze experts s'occupent de la propreté tout au long de la chaîne de processus et de l'ingénierie de la contamination, de la vérification de la propreté, de la simulation des phénomènes de transmission de contamination ainsi que du nettoyage dans le secteur haut de gamme », explique le Dr Axel Müller, expert principal en contrôle de la contamination chez OHB System. En 2016, l'entreprise a commencé à qualifier la technologie de projection de neige au CO2 comme procédé de nettoyage pour l'industrie spatiale. Il s'agissait de nettoyer des faisceaux de câbles et des composants en CFK avec un diamètre d'environ 2000 x 2000 mm, équipés d'une couche noire absorbante de lumière spécifique. Ce « baff » permet uniquement à la lumière à détecter ou aux informations d'image souhaitées d'être dirigées vers des composants optiques tels que miroirs, lentilles et détecteurs. « Par exemple, si de simples particules atteignent le miroir à cause des vibrations lors du lancement, elles créent des reflets lumineux qui faussent l'image et peuvent entraîner l'échec de la mission », explique Axel Müller. « Notre défi n'est pas seulement de rendre le baff intérieur indemne et aussi propre qu'il n'y a plus de particules de plus de dix micromètres, mais aussi de le prouver. Et cette preuve est généralement extrêmement coûteuse, longue et laborieuse. » Sur la base de la technologie de projection de neige au CO2 scalable d'acp systems AG, une solution de nettoyage adaptée a été conçue conjointement et intégrée dans une salle blanche ISO 3.

Quatre effets pour des surfaces ultra-propres

La méthode sèche quattroClean utilise du dioxyde de carbone liquide, neutre en climat, comme médium de nettoyage, qui est dirigé par un anneau de distribution sans usure. Lorsqu'il quitte la buse, le dioxyde de carbone se détend en une neige fine de CO2, condensée par un jet d'air comprimé en anneau séparé et accélérée à la vitesse supersonique. Le jet de neige d'air comprimé bien focalisé développe lors de son impact sur la surface à nettoyer une combinaison d'effets thermiques, mécaniques, solvants et de sublimation. Grâce à l'interaction de ces quatre mécanismes, les contaminants particulaires jusqu'au sous-micromètre et les contaminations en film sont éliminés de manière sûre et reproductible. Le dioxyde de carbone cristallin sublime complètement pendant le processus, laissant les surfaces nettoyées sèches.

Nettoyage en salle blanche avec vérification directe de la propreté

Contrairement au CO2, qui après le nettoyage se trouve à l'état gazeux, les résidus de fabrication et la poussière éliminés ne se dissolvent pas. Cette constatation a amené les experts en propreté à envisager de réaliser la vérification de la propreté en parallèle du nettoyage. « Pour cela, nous entourons la pièce pendant le nettoyage avec un flux d'air pur, qui déplace les contaminants éliminés de la pièce vers l'aspiration. Nous avons intégré un compteur de particules dans ce flux d'air, qui affiche en temps réel le nombre de particules de différentes tailles », rapporte Axel Müller. La classe de salle blanche est mesurée par l'activité, qui se dégrade lors de la procédure. En mesurant le nombre de particules par volume, il est possible de prouver qu'après une interruption du nettoyage au CO2, la propreté de la salle blanche est rapidement rétablie. Ensuite, la prochaine étape de nettoyage commence. Les contaminants restants, en nombre et en taille, sont continuellement réduits par l'effet de nettoyage, tout en étant documentés. Ces cycles de nettoyage et de régénération sont répétés jusqu'à ce que le baff atteigne la spécification de propreté requise, concernant la contamination résiduelle acceptable ou la distribution de taille des particules. « À ma connaissance, la technologie de projection de neige au CO2 quattroClean est la seule méthode de nettoyage permettant d'afficher en direct le résultat du nettoyage », ajoute Axel Müller.

Automate de nettoyage complexe

Sur la base de ces résultats et de la qualification désormais acquise pour des applications spatiales, acp a conçu un automate de nettoyage pour l'intérieur des grandes structures en CFK déjà entièrement assemblées, semi-fermées, de trois baffes différentes, en version haute pureté. Cela inclut notamment une préparation de média pour le dioxyde de carbone liquide, garantissant une pureté de 99,995 %, et une qualité d'air comprimé de 1.2.1.

Les baffes, pesant jusqu'à 125 kg, en forme de tronc en pyramide arrondi en haut, sont fixés sur une plaque d'interface et placés à l'aide d'une grue sur la fourche de l'installation. Celle-ci peut se déplacer dans les directions X, Y et Z. Pour atteindre toutes les surfaces intérieures des pièces pouvant mesurer jusqu'à 1 600 x 1 600 x 2 000 mm, la buse, équipée d'une zone de jet pivotante, pénètre dans le baff via une lance, la scanne en zigzag tout en tournant. Pendant le nettoyage, l'air intérieur du baff est aspiré, et les particules contenues sont analysées en fonction de leur taille et de leur nombre pour évaluer l'efficacité du nettoyage.

Contrôle des collisions via jumeau numérique

Les collisions pouvant endommager les structures en CFK doivent être évitées lors du nettoyage. Par ailleurs, chaque zone doit être nettoyée conformément aux exigences. Les séquences de mouvement sont donc définies individuellement pour chaque baff. « Cela se fait via un jumeau numérique qui modélise l'installation, la pièce, le processus de nettoyage et le succès du nettoyage », explique Axel Müller. Pour les mesures de distance, la tête de la buse est équipée d’un capteur à ultrasons et de deux pointeurs laser. Un système de caméras intégré fournit en permanence des images en direct pendant le nettoyage. La vérification de la propreté se fait à l’aide de compteurs de particules intégrés dans le flux d’air d’échappement. « Avec cette installation, probablement unique au monde, nous parvenons à nettoyer les composants avec un facteur 10 000 de propreté en plus qu’auparavant. Et cela avec un gain de temps considérable, une sécurité accrue du processus et une meilleure reproductibilité », conclut Axel Müller.