Le circuit électrique imprimé en 3D fabriqué sur Zortrax Endureal sera testé à bord du CubeSat WISA Woodsat dont le lancement est prévu vers la fin de 2021. Depuis fin 2019, Zortrax travaille en partenariat avec l'Agence spatiale européenne pour développer une technologie d'impression 3D composite permettant de fabriquer des pièces prêtes pour l'espace avec des circuits électriques intégrés à base de polymères. Désormais, un démonstrateur fonctionnel conçu par l'ESA et fabriqué à l'aide de cette technologie sera testé en vol en orbite terrestre basse dans le cadre de cette mission pionnière.

WISA Woodsat sera le premier satellite fabriqué en bois de bouleau


La technologie d'impression 3D composite est en cours de développement chez Zortrax depuis près d'un an et demi maintenant. La première étape de ce projet s'est conclue par l'utilisation de l'Endureal pour fabriquer des structures en Z-PEEK avec des chemins intégrés, conducteurs d'électricité, imprimés avec du PEEK conducteur d'électricité fourni par l'ESA. Les ingénieurs de Zortrax ont donc été les premiers à utiliser la double extrusion avec deux mélanges de PEEK pour imprimer des pièces avancées avec des capacités de transfert d'énergie et de données. Le temps est maintenant venu de faire un test réel et de lancer ces pièces dans l'espace.

Des impressions composites prêtes pour l'espace

Une fois que la capacité d'imprimer simultanément avec deux mélanges de PEEK a été atteinte, l'équipe de RnD de Zortrax a commencé à perfectionner la technologie.

Premiers modèles en composite PEEK-Conducteur imprimés pour l'Agence spatiale européenne.


Les modèles imprimés avec cette technique étaient impressionnants, mais pour qu'ils soient prêts pour les vols spatiaux, plusieurs problèmes devaient être résolus. Des améliorations ont été apportées dans trois domaines clés :

    • La précision dimensionnelle a été améliorée pour permettre l'impression de pièces plus petites pouvant être installées sur des CubeSats
    • La conductivité des chemins réalisés avec des pistes conductrices a dû être augmentée pour que le transfert d'énergie et de données soit moins gourmand en énergie.
    • Les espaces dans les modèles imprimés ont dû être supprimés afin d'éliminer l'air emprisonné dans les modèles qui pourrait se dilater sous vide.

    C'était un véritable défi d'atteindre un seul de ces objectifs. En moins d'un an, Zortrax a réussi à les atteindre tous. Voici comment.

    Améliorer la précision dimensionnelle avec le PEEK

    Le PEEK est un matériau extrêmement difficile à imprimer. Sa température de fusion est très élevée, ce qui signifie que l'imprimante 3D doit supporter une extrusion à plus de 400°C pour commencer à le traiter. Ensuite, le PEEK se contracte considérablement lorsqu'il refroidit à température ambiante, ce dont il faut tenir compte. Cette contraction introduit des contraintes internes dans la pièce imprimée, ce qui peut provoquer des fissures ou des déformations.

    Version miniaturisée du démonstrateur conducteur imprimé pour la mission WISA Woodsat.


    Les premières impressions composites étaient donc relativement grandes. Leur taille était comparable à celle de deux boîtes d'allumettes, ce qui n'est pas négligeable si l'on considère qu'un CubeSat standard ne mesure que 10  x 10  x 10 cm. Pourtant, ces premiers modèles de validation du concept comportaient des imperfections.

    Ces imperfections étaient dues en partie au fait qu'au début, les ingénieurs de Zortrax utilisaient des températures d'impression dépassant 430°C, ce qui était très élevé même pour le PEEK. La raison en était d'obtenir une distribution uniforme des nanoparticules de graphène et des nanotubes de carbone présents dans le PEEK conducteur afin d'augmenter la conductivité des voies conductrices. Cet objectif a été atteint au détriment de la précision dimensionnelle.

    Circuit de démonstration prêt à voler avec câbles connectés pendant le processus d'intégration à l'ESTEC de l'ESA aux Pays-Bas.


    En améliorant les profils d'impression du PEEK et les algorithmes fonctionnant dans le logiciel Z-SUITE, l'équipe de Zortrax a réussi à régler les températures d'impression à un niveau standard de 400 °C pour les mélanges de PEEK standard et conducteurs, sans effet négatif sur la conductivité. Les détails sont devenus plus prononcés, les bords plus nets et les surfaces plus lisses, car le matériau PEEK extrudé à plus basse température a pu être déposé avec précision aux bons endroits par la tête d'impression. Ainsi, la fabrication d'un démonstrateur en PEEK composite de la taille d'un petit timbre postal est devenue une réalité.

    Augmentation de la conductivité électrique du PEEK de l'ESA

    Même aux premiers stades du projet, les ingénieurs de Zortrax ont réussi à dépasser les valeurs de conductivité initialement obtenues par l'ESA avec un filament PEEK conducteur. Lors du développement de ce matériau, l'ESA a utilisé l'imprimante 3D INDMATEC HPP 155, aujourd'hui abandonnée, pour les impressions de test. Cette machine ne pouvait pas atteindre les températures d'impression possibles actuellement sur l'Endureal. Elle ne disposait pas non plus d'une chambre d'impression chauffée, ce qui rendait impossible le maintien d'une température élevée et stable.

    Démonstrateur PEEK-Conducteur PEEK installé sur le PCB WISA Woodstat.


    L'amélioration initiale de la conductivité a été possible car l'Endureal offrait des options plus avancées en matière de gestion thermique. Par conséquent, l'équipe de Zortrax pensait qu'il était possible d'en faire plus, ils ont donc cherché à augmenter encore la conductivité. Pour ce faire, ils ont modifié le logiciel.

    Les premiers tests réalisés avec des modèles imprimés en PEEK conducteur de l'ESA ont montré que la conductivité du matériau était anisotrope. Elle était relativement élevée, à condition que le courant suive les trajectoires suivies par une tête d'impression lors de l'impression du modèle. En revanche, elle était décevante lorsque les électrons étaient forcés de circuler à l'encontre de ces trajectoires. Dans une pièce typique imprimée en 3D avec un remplissage à 100 % et un angle de trame de 45 degrés, le courant va à l'encontre des trajectoires dans presque tous les scénarios.

    La conductivité des chemins imprimés en 3D a atteint 0,8 S/m à 30V, ce qui représente une amélioration de 8 fois en seulement 9 mois.


    Pour résoudre ce problème, l'équipe de Zortrax a utilisé une fonction expérimentale Z-SUITE qui modifie radicalement la trajectoire suivie par une tête d'impression dans l'Endureal. Dans ce mode, l'imprimante commence à imprimer l'objet à partir de son bord extérieur, puis dépose des bords de plus en plus petits vers l'intérieur. Cette technique est utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques des impressions 3D mais elle a également provoqué une augmentation de 8 fois des valeurs de conductivité dans les modèles en PEEK conducteur. Cette augmentation a été possible parce que dans les modèles imprimés, les électrons pouvaient toujours circuler le long des chemins suivis par une tête d'impression.

    Élimination des trous d'air dans les impressions 3D en PEEK

    Le même mode d'impression a permis de traiter les espaces d'air dans les très petits modèles qui apparaissaient entre la paroi extérieure de la pièce et le remplissage. Les ingénieurs de l'ESA qui travaillent à l'intégration du démonstrateur sur le CubeSat WISA craignaient que ces espaces ne contiennent de l'air qui se dilaterait rapidement dans le vide lorsque le circuit imprimé aurait atteint l'espace.

    Imprimante 3D Zortrax Endureal utilisée pour l'impression de pièces composites avec deux mélanges de PEEK.


    En modifiant la trajectoire de la tête d'impression d'Endureal utilisée pour fabriquer la pièce, ces écarts ont été pratiquement éliminés. Le démonstrateur qui a finalement été installé à bord du satellite et a passé avec succès tous les tests exigeants nécessaires à l'autorisation de vol était une structure quasi solide, un exploit très difficile à réaliser lors de l'impression de très petits objets avec des polymères à haute performance.

    Matériaux avancés pour l'industrie spatiale

    WISA Woodsat est une mission unique en son genre qui vise à tester de nouveaux matériaux et des technologies de fabrication révolutionnaires dans l'industrie spatiale. Plusieurs parties de ce CubeSat sont fabriquées en bois de bouleau et recouvertes d'un revêtement spécial censé les protéger des effets de l'environnement spatial. Il sera lancé à bord d'une fusée Electron partiellement récupérable, dont une grande partie du corps est fabriquée à partir de composites légers en carbone. Il est évident que le test en vol de circuits électriques imprimés en 3D à base de polymères PEEK pour la première fois dans l'histoire s'inscrit parfaitement dans le thème général de cette mission révolutionnaire. Nous pensons que les matériaux innovants et la fabrication additive rendront l'espace plus accessible et plus facile à atteindre pour les entreprises et les scientifiques du monde entier. Et Zortrax a un rôle majeur à jouer pour façonner cet avenir.

    Le lancement de WISA Woodsat, avec à son bord le démonstrateur imprimé en 3D par Zortrax, est prévu vers la fin de 2021 depuis la Nouvelle-Zélande. Outre l'impression du démonstrateur en PEEK avec des pistes conductrices d'électricité intégrées, Zortrax travaille actuellement avec l'ESA sur deux nouveaux projets de recherche. Restez à l'écoute !!

    *L'opinion exprimée dans ce document ne peut en aucun cas être considérée comme reflétant l'opinion officielle de l'Agence spatiale européenne.

    Le circuit électrique imprimé en 3D fabriqué sur Zortrax Endureal sera testé à bord du CubeSat WISA Woodsat dont le lancement est prévu vers la fin de 2021. Depuis fin 2019, Zortrax travaille en partenariat avec l'Agence spatiale européenne pour développer une technologie d'impression 3D composite permettant de fabriquer des pièces prêtes pour l'espace avec des circuits électriques intégrés à base de polymères. Désormais, un démonstrateur fonctionnel conçu par l'ESA et fabriqué à l'aide de cette technologie sera testé en vol en orbite terrestre basse dans le cadre de cette mission pionnière.

    WISA Woodsat sera le premier satellite fabriqué en bois de bouleau


    La technologie d'impression 3D composite est en cours de développement chez Zortrax depuis près d'un an et demi maintenant. La première étape de ce projet s'est conclue par l'utilisation de l'Endureal pour fabriquer des structures en Z-PEEK avec des chemins intégrés, conducteurs d'électricité, imprimés avec du PEEK conducteur d'électricité fourni par l'ESA. Les ingénieurs de Zortrax ont donc été les premiers à utiliser la double extrusion avec deux mélanges de PEEK pour imprimer des pièces avancées avec des capacités de transfert d'énergie et de données. Le temps est maintenant venu de faire un test réel et de lancer ces pièces dans l'espace.

    Des impressions composites prêtes pour l'espace

    Une fois que la capacité d'imprimer simultanément avec deux mélanges de PEEK a été atteinte, l'équipe de RnD de Zortrax a commencé à perfectionner la technologie.

    Premiers modèles en composite PEEK-Conducteur imprimés pour l'Agence spatiale européenne.


    Les modèles imprimés avec cette technique étaient impressionnants, mais pour qu'ils soient prêts pour les vols spatiaux, plusieurs problèmes devaient être résolus. Des améliorations ont été apportées dans trois domaines clés :

      • La précision dimensionnelle a été améliorée pour permettre l'impression de pièces plus petites pouvant être installées sur des CubeSats
      • La conductivité des chemins réalisés avec des pistes conductrices a dû être augmentée pour que le transfert d'énergie et de données soit moins gourmand en énergie.
      • Les espaces dans les modèles imprimés ont dû être supprimés afin d'éliminer l'air emprisonné dans les modèles qui pourrait se dilater sous vide.

      C'était un véritable défi d'atteindre un seul de ces objectifs. En moins d'un an, Zortrax a réussi à les atteindre tous. Voici comment.

      Améliorer la précision dimensionnelle avec le PEEK

      Le PEEK est un matériau extrêmement difficile à imprimer. Sa température de fusion est très élevée, ce qui signifie que l'imprimante 3D doit supporter une extrusion à plus de 400°C pour commencer à le traiter. Ensuite, le PEEK se contracte considérablement lorsqu'il refroidit à température ambiante, ce dont il faut tenir compte. Cette contraction introduit des contraintes internes dans la pièce imprimée, ce qui peut provoquer des fissures ou des déformations.

      Version miniaturisée du démonstrateur conducteur imprimé pour la mission WISA Woodsat.


      Les premières impressions composites étaient donc relativement grandes. Leur taille était comparable à celle de deux boîtes d'allumettes, ce qui n'est pas négligeable si l'on considère qu'un CubeSat standard ne mesure que 10  x 10  x 10 cm. Pourtant, ces premiers modèles de validation du concept comportaient des imperfections.

      Ces imperfections étaient dues en partie au fait qu'au début, les ingénieurs de Zortrax utilisaient des températures d'impression dépassant 430°C, ce qui était très élevé même pour le PEEK. La raison en était d'obtenir une distribution uniforme des nanoparticules de graphène et des nanotubes de carbone présents dans le PEEK conducteur afin d'augmenter la conductivité des voies conductrices. Cet objectif a été atteint au détriment de la précision dimensionnelle.

      Circuit de démonstration prêt à voler avec câbles connectés pendant le processus d'intégration à l'ESTEC de l'ESA aux Pays-Bas.


      En améliorant les profils d'impression du PEEK et les algorithmes fonctionnant dans le logiciel Z-SUITE, l'équipe de Zortrax a réussi à régler les températures d'impression à un niveau standard de 400 °C pour les mélanges de PEEK standard et conducteurs, sans effet négatif sur la conductivité. Les détails sont devenus plus prononcés, les bords plus nets et les surfaces plus lisses, car le matériau PEEK extrudé à plus basse température a pu être déposé avec précision aux bons endroits par la tête d'impression. Ainsi, la fabrication d'un démonstrateur en PEEK composite de la taille d'un petit timbre postal est devenue une réalité.

      Augmentation de la conductivité électrique du PEEK de l'ESA

      Même aux premiers stades du projet, les ingénieurs de Zortrax ont réussi à dépasser les valeurs de conductivité initialement obtenues par l'ESA avec un filament PEEK conducteur. Lors du développement de ce matériau, l'ESA a utilisé l'imprimante 3D INDMATEC HPP 155, aujourd'hui abandonnée, pour les impressions de test. Cette machine ne pouvait pas atteindre les températures d'impression possibles actuellement sur l'Endureal. Elle ne disposait pas non plus d'une chambre d'impression chauffée, ce qui rendait impossible le maintien d'une température élevée et stable.

      Démonstrateur PEEK-Conducteur PEEK installé sur le PCB WISA Woodstat.


      L'amélioration initiale de la conductivité a été possible car l'Endureal offrait des options plus avancées en matière de gestion thermique. Par conséquent, l'équipe de Zortrax pensait qu'il était possible d'en faire plus, ils ont donc cherché à augmenter encore la conductivité. Pour ce faire, ils ont modifié le logiciel.

      Les premiers tests réalisés avec des modèles imprimés en PEEK conducteur de l'ESA ont montré que la conductivité du matériau était anisotrope. Elle était relativement élevée, à condition que le courant suive les trajectoires suivies par une tête d'impression lors de l'impression du modèle. En revanche, elle était décevante lorsque les électrons étaient forcés de circuler à l'encontre de ces trajectoires. Dans une pièce typique imprimée en 3D avec un remplissage à 100 % et un angle de trame de 45 degrés, le courant va à l'encontre des trajectoires dans presque tous les scénarios.

      La conductivité des chemins imprimés en 3D a atteint 0,8 S/m à 30V, ce qui représente une amélioration de 8 fois en seulement 9 mois.


      Pour résoudre ce problème, l'équipe de Zortrax a utilisé une fonction expérimentale Z-SUITE qui modifie radicalement la trajectoire suivie par une tête d'impression dans l'Endureal. Dans ce mode, l'imprimante commence à imprimer l'objet à partir de son bord extérieur, puis dépose des bords de plus en plus petits vers l'intérieur. Cette technique est utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques des impressions 3D mais elle a également provoqué une augmentation de 8 fois des valeurs de conductivité dans les modèles en PEEK conducteur. Cette augmentation a été possible parce que dans les modèles imprimés, les électrons pouvaient toujours circuler le long des chemins suivis par une tête d'impression.

      Élimination des trous d'air dans les impressions 3D en PEEK

      Le même mode d'impression a permis de traiter les espaces d'air dans les très petits modèles qui apparaissaient entre la paroi extérieure de la pièce et le remplissage. Les ingénieurs de l'ESA qui travaillent à l'intégration du démonstrateur sur le CubeSat WISA craignaient que ces espaces ne contiennent de l'air qui se dilaterait rapidement dans le vide lorsque le circuit imprimé aurait atteint l'espace.

      Imprimante 3D Zortrax Endureal utilisée pour l'impression de pièces composites avec deux mélanges de PEEK.


      En modifiant la trajectoire de la tête d'impression d'Endureal utilisée pour fabriquer la pièce, ces écarts ont été pratiquement éliminés. Le démonstrateur qui a finalement été installé à bord du satellite et a passé avec succès tous les tests exigeants nécessaires à l'autorisation de vol était une structure quasi solide, un exploit très difficile à réaliser lors de l'impression de très petits objets avec des polymères à haute performance.

      Matériaux avancés pour l'industrie spatiale

      WISA Woodsat est une mission unique en son genre qui vise à tester de nouveaux matériaux et des technologies de fabrication révolutionnaires dans l'industrie spatiale. Plusieurs parties de ce CubeSat sont fabriquées en bois de bouleau et recouvertes d'un revêtement spécial censé les protéger des effets de l'environnement spatial. Il sera lancé à bord d'une fusée Electron partiellement récupérable, dont une grande partie du corps est fabriquée à partir de composites légers en carbone. Il est évident que le test en vol de circuits électriques imprimés en 3D à base de polymères PEEK pour la première fois dans l'histoire s'inscrit parfaitement dans le thème général de cette mission révolutionnaire. Nous pensons que les matériaux innovants et la fabrication additive rendront l'espace plus accessible et plus facile à atteindre pour les entreprises et les scientifiques du monde entier. Et Zortrax a un rôle majeur à jouer pour façonner cet avenir.

      Le lancement de WISA Woodsat, avec à son bord le démonstrateur imprimé en 3D par Zortrax, est prévu vers la fin de 2021 depuis la Nouvelle-Zélande. Outre l'impression du démonstrateur en PEEK avec des pistes conductrices d'électricité intégrées, Zortrax travaille actuellement avec l'ESA sur deux nouveaux projets de recherche. Restez à l'écoute !!

      *L'opinion exprimée dans ce document ne peut en aucun cas être considérée comme reflétant l'opinion officielle de l'Agence spatiale européenne.