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.