Conception et fabrication additive d'une structure bio-inspirée pour un rover lunaire en composites thermoplastiques

Les véhicules d'exploration spatiale, après avoir été déposés sur un corps céleste, en parcourent la surface afin d'observer et d'analyser l'environnement. Par conséquent, ils doivent résister à des conditions extrêmes : niveaux importants d'accélérations et d'excitations vibratoires lors du lancement, radiations cosmiques, cycles de températures allant de -150 °C à +100 °C pour un rover lunaire par exemple. En raison de leurs propriétés mécaniques à masse limitée et de leur résistance aux radiations, la structure de ces véhicules est traditionnellement faite de panneaux composites sandwich en nid d'abeille d'alliages d'aluminium. Cependant, leur assemblage nécessite l'utilisation d'inserts métalliques qui alourdissent considérablement l'ensemble. De nouveaux matériaux composites thermoplastiques hautes performances font progressivement leur apparition dans le domaine spatial. Ils ont de plus l'avantage de pouvoir être mis en œuvre par fabrication additive et de repousser ainsi les limites de conception des structures. Ainsi, l'objectif principal de ce mémoire est d'explorer le potentiel de l'impression 3D de pièces structurelles pour un rover lunaire. Tout d'abord, une nouvelle géométrie de rover lunaire a pu être générée avec une distribution de matière issue d'un algorithme d'optimisation topologique. Imprimé en composites thermoplastiques, le comportement de ce nouveau modèle a pu être comparé à celui du modèle préliminaire, constitué d'une structure métallique en alliage d'aluminium, lorsque soumis aux chargements mécaniques de l'environnement de lancement. Les simulations numériques ont permis de conclure quant à la bonne tenue mécanique du modèle allégé de près de 30%. Dans un second temps, un nouveau cœur de composite sandwich à densité variable a été développé afin de prendre en compte la répartition des efforts. Des échantillons ont été imprimés en PLA pour caractériser cette nouvelle structure. Ils ont été comparés à des échantillons de panneaux sandwich de référence, en nid d'abeille à taille de cellule constante, et ont permis de conclure à une augmentation de plus de 47% des propriétés mécaniques en flexion. Finalement, ce nouveau concept de composite sandwich à densité variable a été implémenté au modèle de rover lunaire. La simulation de son comportement lors du lancement a permis de conclure quant à l'intérêt de la mise en œuvre de composites thermoplastiques par fabrication additive dans la réduction de masse du corps d'un rover lunaire et plus généralement, de pièces structurelles.

Abstract

Space exploration vehicles, after being dropped on a celestial body, travel across its surface to observe and analyze the environment. Consequently, a lunar rover has to withstand extreme conditions: high levels of acceleration and vibration during launch, cosmic radiation, temperature cycles ranging from -150°C to +100°C. Because of their mechanical properties with limited mass and their resistance to radiation, sandwich panels made of aluminum alloys are traditionally used to manufacture the structure. However, the assembly of these panels requires the use of metal inserts which considerably increase the weight of the assembly. New high-performance thermoplastic composite materials are gradually emerging in the space sector. Moreover, they can be processed by additive manufacturing and thus enable to push the limits of design. Therefore, the main objective of this thesis is to explore the potential of 3D printing of structural parts for a lunar rover. First, a new lunar rover geometry has been generated with a material distribution resulting from a topological optimization algorithm. Printed with thermoplastic composites, the behaviors of this new design has been compared to that of the preliminary model, consisting of an aluminum alloy metal structure, under the mechanical loads of the launch environment. The model has been lightened by almost 30% and numerical simulations have led to the conclusion that it is mechanically strong. Secondly, a new functionally graded sandwich core has been developed to consider the load distribution. Samples were printed in PLA to characterize this new structure. They were compared with reference honeycomb sandwich panels of constant cell size and it has been concluded that there is a significant increase of 47% of the bending mechanical properties. Finally, this new concept of functionally graded sandwich structure has been implemented to the lunar rover design. The simulation of their behaviors during launch led to the conclusion that the use of thermoplastic composites through additive manufacturing is of interest for the design of space exploration vehicles and structural parts in general.