Polymères à mémoire de forme à base de polyuréthanes thermoplastiques destinés à la fabrication de composants légers pour satellites
L'impression 4D simplifie la fabrication de composants thermosensibles
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Une construction légère, un design compact et des performances fonctionnelles fiables constituent des exigences essentielles pour les composants utilisés dans les applications spatiales. Dans le cadre du projet « fabrication additive de panneaux solaires pour les applications spatiales (AM-SPACE) », l’Institut Fraunhofer pour la recherche appliquée sur les polymères (IAP) a mis au point des polymères à mémoire de forme (SMP) spécialement conçus pour la fabrication additive de composants de satellites. À l’aide de ces matériaux, les chercheurs ont fabriqué des charnières légères à activation thermique destinées au déploiement des panneaux solaires des satellites. Pesant environ 1,4 gramme chacune, ces charnières sont environ 93 % plus légères que les charnières conventionnelles actuellement utilisées. Le projet a été mené en collaboration avec German Orbital Systems GmbH (GOS), Orion Additive Manufacturing GmbH et l’Institut Fraunhofer pour la fiabilité et la micro-intégration (IZM). Le Fraunhofer IAP présentera ces avancées lors du salon Formnext à Francfort et du Space Tech Expo Europe à Brême en novembre 2026.
Un polymère à mémoire de forme facilite un déploiement contrôlé
Les polymères à mémoire de forme (SMP) sont des matériaux intelligents qui conservent une forme temporaire programmée et reprennent leur forme d’origine lorsqu’ils sont chauffés. Le Fraunhofer IAP utilise cet effet de mémoire de forme unidirectionnel pour permettre un mouvement contrôlé dans les composants imprimés en 3D, réduisant ainsi le recours aux systèmes d’actionnement mécaniques classiques. Les chercheurs ont transformé les polymères développés en filaments adaptés à la fabrication additive et ont fabriqué des charnières fonctionnelles ainsi que des mécanismes de maintien et de libération (HDRM). Lors du lancement, les mécanismes HDRM maintiennent solidement les composants du satellite, puis les libèrent de manière contrôlée une fois en orbite. Après la libération, les charnières à base de SMP permettent le déploiement des panneaux solaires grâce à la récupération de forme activée thermiquement.
L’impression 3D permet un prototypage rapide
La charnière imprimée en 3D pèse environ 1,4 gramme. Lorsqu’il est activé thermiquement à l’aide d’un élément chauffant, le SMP subit un changement de forme programmé, provoquant le déploiement de la charnière. Dans des conditions de laboratoire contrôlées, la charnière achève son déploiement en moins de 60 secondes lorsqu’elle est chauffée de 23 °C à 140 °C. Le procédé de fabrication additive permet également une production rapide de ces composants fonctionnels. L’impression d’une charnière ou d’un HDRM prend environ 15 minutes, suivies de 30 minutes supplémentaires pour programmer la forme temporaire souhaitée. Par conséquent, chacun de ces composants peut être fabriqué et programmé en moins d’une heure, ce qui met en évidence le potentiel de prototypage rapide et d’adaptation flexible de la conception.
L’impression 4D simplifie la fabrication de composants thermosensibles
Dans l’approche d’impression 4D utilisée ici, la réponse de changement de forme est programmée directement dans le composant lors de sa fabrication, plutôt que lors d’une étape de post-traitement distincte. Cette approche a permis le développement de HDRM imprimés en 4D pouvant être fabriqués en seulement cinq minutes. À l’instar de leurs homologues imprimés en 3D, ces mécanismes permettent la libération contrôlée de composants de satellite retenus lors d’une activation thermique. « Avec AM-SPACE, nous avons démontré comment les polymères à mémoire de forme peuvent ouvrir de nouvelles perspectives dans la conception de petits satellites. Ces composants allient une construction légère à des fonctionnalités intégrées et à la capacité de subir des changements de forme contrôlés lorsqu’ils sont activés », explique le Dr Thorsten Pretsch, responsable de la division de recherche sur les systèmes polymères fonctionnels au Fraunhofer IAP. « À l’avenir, cela pourrait permettre de lancer des systèmes satellitaires dans une configuration compacte et de les déployer selon les besoins une fois en orbite. Au-delà des charnières et des mécanismes de retenue et de libération, nous voyons un potentiel pour d’autres composants activables », ajoute M. Pretsch.
Première validation en conditions de laboratoire
Les premières activités de validation des charnières et des mécanismes de retenue et de libération (HDRM) à base de SMP, comprenant des essais en salle blanche, des cycles thermiques et des expériences préliminaires en chambre à vide, ont été menées à bien. De plus, l’un des SMP développés au Fraunhofer IAP a passé avec succès les essais de dégazage menés à l’Institut national de technologie aérospatiale (INTA) en Espagne, ce qui confirme son aptitude à des applications spatiales potentielles. Toutefois, les performances et la fiabilité à long terme des composants dans des conditions spatiales réelles restent encore à démontrer.
Prochaine étape : vers une validation en orbite
Des discussions sont actuellement en cours concernant un éventuel projet de suivi visant à faire progresser la technologie en vue d’une démonstration en orbite. German Orbital Systems, un fabricant expérimenté de CubeSats disposant d’une solide expérience dans le développement et le déploiement de satellites, a manifesté son intérêt pour l’évaluation des composants basés sur la technologie SMP dans des conditions spatiales réelles.
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