Composants imprimés pour l'élimination de débris spatiaux « non coopératifs »

• Solution requise : deux moteurs pas à pas NEMA 11, écrou imprimé en tribofilament iglidur J260, tribo-ruban en iglidur V400
• Méthode de fabrication : dépôt de fil fondu (FDM)
• Exigences : résistance à la température et à la pression des composants, longue durée de vie et construction légère, mécanisme d'éjection fiable
• Matériau : iglidur J260
• Secteur : aéronautique
• Bénéfice de la coopération : les moteurs pas à pas et la vis filetée associés au film lisse en polymère garantissent une éjection fiable 

Brève description de l'application :
Pour pouvoir être en mesure de récupérer des débris spatiaux, il faut auparavant collecter des données de test sur le mouvement de ces pièces dans l'espace. À cette fin, une équipe de six étudiants de l'université de Brême et d'un institut d'enseignement supérieur de la même ville a mis au point un module de fusée qui utilise des capteurs et des caméras pour enregistrer le mouvement et la position d'objets dans l'espace à l'aide d'un objet de test éjecté. Deux entraînements à vis montés en parallèle ont été utilisés pour le mécanisme d'éjection. Les entraînements à vis étaient exposés à des sollicitations extrêmes, dont des températures de +200 °C dues au frottement de l'air, et devaient fonctionner de manière fiable. C'est là que sont entrés en jeu les composants igus. Les entraînements à vis drylin étaient chacun pilotés par un moteur pas à pas NEMA 11. Le support pour l'objet de test était fixé à un écrou fileté imprimé à partir de tribofilament iglidur J260-PF. Un film lisse en polymère veillait à ce que l'objet puisse glisser de son support et s'éloigne de la fusée.
 

Le module fusée vu de l'intérieur : les entraînements linéaires éjectent l'objet de test par la trappe.

Problème

Dans le cadre du projet UB-Space, six étudiants se sont penchés sur le problème de la « collecte » et de l'élimination des débris spatiaux. Afin de mettre en œuvre ce projet, l'équipe dirigée par Maren Hülsmann avait cependant besoin de suffisamment de données de tests sur le mouvement des objets dans l'espace. Pour ce faire, ils voulaient éjecter un objet de test en forme de cube dans la thermosphère et l'observer avec des caméras et des capteurs afin d'y collecter les données réelles requises. L'équipe avait besoin de matériaux fiables pour les pièces du mécanisme d'éjection avec lequel l'objet devait être expulsé de la fusée. Ceux-ci devaient répondre aux exigences particulières de l'espace, dont une place et un poids limités, une faible consommation d'énergie et une bonne résistance à la compression et à la température.

Solution

L'équipe a vite trouvé des composants adaptés pour le mécanisme d'éjection dans la gamme de matériaux igus optimisés pour les applications glissantes. Le mécanisme est composé de deux moteurs pas à pas NEMA 11 qui sont chacun reliés à une vis filetée par l'intermédiaire d'un accouplement. Cette construction a été montée sur la paroi de la fusée avec un écrou imprimé en iglidur J260-PF. La surface de passage de la goulotte d'éjection a été recouverte d'un tribo-ruban en iglidur V400 afin que l'objet de test puisse être éjecté sans frottement.

 

La protection de l'environnement dans l'espace

Le gros problème des déchets ne se limite pas à la Terre. Plus de 1.000 satellites sont en orbite autour de la planète bleue. Après des décennies de gravitation, il y a aussi beaucoup de déchets dans l'espace. On compte actuellement plus de 30.000 objets dans l'orbite terrestre et ces débris représentent un danger pour les satellites actifs. Ils peuvent atteindre des vitesses de 25.000 km/h et l'énergie générée lors d'une collision a une capacité extrêmement destructrice. L'objectif du projet UB-Space est de collecter les débris dans l'espace et de les éliminer correctement. L'équipe interdisciplinaire de six personnes composée d'étudiants de l'Université et de l'Institut d'études supérieures de Brême s'est donnée pour mission d'analyser le mouvement de ces « objets non coopératifs » dans l'espace afin de pouvoir lancer une campagne de collecte de ces débris qui soit adaptée. A cet effet, un objet de test installé dans un module fusée est relâché dans la thermosphère. La position et le mouvement de cet « objet en chute libre » (FFU) après l'éjection sont enregistrés avec précision par des capteurs et des caméras, fournissant ainsi une base réelle sur laquelle l'équipe peut fonder ses calculs.

La fusée avec le module a été lancée le 15 mars 2017

Les composants igus font leurs preuves dans l'espace

Afin de pouvoir éjecter cet objet en chute libre de manière fiable et au bon moment, l'équipe UB-Space Team a mis au point un mécanisme spécial pour le module fusée. Les conditions d'emploi de la mécanique dans l'espace sont toutefois bien différentes de celles sur terre. Oliver Dorn, étudiant en technologie navale, indique que la consommation d'énergie, le poids et l'espace de montage y sont limités. De plus, le frottement de l'air entraîne des températures allant jusqu'à +200 °C. Après plusieurs tests, l'équipe a opté pour un système d'entraînement composé de deux vis filetées parallèles qui sortent l'unité dans laquelle se trouve le FFU. Une trappe préalablement détachée sert d'ouverture à l'ensemble. Les vis en inox de la gamme igus drylin sont chacune entraînées par un moteur pas à pas NEMA 11. Elles ont une course de 150 millimètres effectuée à un couple élevé et une vitesse faible (3 cm/s). L'autre côté de la construction est monté à la paroi de la fusée avec un écrou imprimé en iglidur J260-PF. Pour que le FFU puisse être éjecté le plus facilement possible, la goulotte d'éjection est revêtue d'un tribo-ruban en iglidur V400. Les matériaux igus sont parfaitement adaptés à une telle utilisation, leurs propriétés de glissement optimales garantissant une éjection sans blocage et peu gourmande en énergie. Ils sont également résistants à la compression et aux températures tout en étant légers, un avantage décisif pour la construction.

Florian Schindler, Technico-commercial igus GmbH en compagnie de Amina Zaghdane, Maren Hülsmann et Lars Flemnitz (de gauche à droite)

Impression 3D pour petits et grands projets

igus propose d'autres filaments pour l'impression 3D en plus du tribo-filament iglidur J260-PF utilisé ici. Comme leur nom l'indique, les filaments sont optimisés en termes tribologiques et conviennent à toutes les applications impliquant du frottement et de l'usure. Dans de telles applications notamment, les clients tirent profit d'une longue durée de vie et d'une résistance aux températures jusqu'à 180 °C. Sans compter que l'impression 3D permet de réaliser des formes complexes en une seule opération. La fabrication additive est idéale pour les pièces spéciales destinées aux prototypes ou aux petites séries car les coûts de production sont moins élevés et la rendent intéressante dès l'unité. 
 

Tribofilament iglidur J260-PF