Travail de fin d’études (bachelor)

Mécanisme de libération pour CubeSat.

Mécanisme de maintien et de libération (HDRM) imprimé en 3D pour missions CubeSat

Masse du mécanisme: 15 g
Charge tenue lors de l’essai de traction: 140 N
Temps de libération moyen: 4 s
Note du travail: 10/10

Un mécanisme imprimé en 3D, à usage unique, qui maintient fermés les panneaux solaires d’un CubeSat pendant le lancement et les libère avec un fil chauffant, testé jusqu’à 40 % au-delà de sa charge de dimensionnement.

Le problème

Les panneaux solaires et les antennes déployables doivent encaisser, repliés, les charges du lancement, puis se libérer de façon fiable, une seule fois, en orbite, sans laisser le moindre débris. C’est le rôle d’un mécanisme de maintien et de libération (Hold-Down Release Mechanism, HDRM). Les mécanismes commerciaux coûtent cher ; mon travail de fin d’études cherchait à savoir si un mécanisme imprimé en 3D à faible coût pouvait remplir la même fonction.

Ce que j’ai fait

J’ai conçu un HDRM à usage unique imprimé en 3D en PLA : deux bras de libération sont maintenus fermés par un fil de nylon, qu’un fil de NiChrome fait fondre par effet Joule pour les libérer. Avec des simulations EF sous SolidWorks, j’ai comparé deux géométries d’articulation et retenu une articulation en soufflet de 1 mm, meilleur compromis entre souplesse et résistance, puis redessiné les bras avec une dent de retenue et des guides latéraux pour empêcher tout déplacement latéral du lien de retenue. J’ai imprimé, assemblé et testé le prototype.

Modèle CAO du mécanisme : fermé pour le lancement (à gauche) et ouvert après libération (à droite).

Points clés

01HDRM à usage unique imprimé en 3D en PLA, libéré par un fil chauffant en NiChrome
02Redessin guidé par le calcul EF : une articulation en soufflet a surpassé une articulation simplement circulaire
03A tenu 140 N en traction, soit 40 % au-delà de la charge de dimensionnement de 100 N, sans déformation
04Toutes les exigences de la matrice d’évaluation vérifiées : environ TRL 4

Résultats

Le prototype du HDRM imprimé en 3D, fermé et maintenu par son fil de nylon — Le prototype final en position fermée, maintenu par un fil de nylon.

Simulation EF du bras de libération montrant la contrainte, le déplacement et la déformation — Simulation EF du bras de libération (contrainte de Von Mises, déplacement et déformation), utilisée pour comparer les géométries d’articulation.

Essai de traction avec le mécanisme suspendu sous une charge de 140 N — Essai de traction : le mécanisme a tenu 140 N, soit 40 % au-delà de la charge de dimensionnement de 100 N, sans déformation.

Circuit de libération par fil chauffant en cours d’essai — Circuit de libération par fil chauffant : 1,15 A et 5,3 W, libérant en une moyenne de 4 s.

Résultat final

Toutes les exigences d’évaluation ont été vérifiées, ce qui situe le prototype autour du TRL 4. Les prochaines étapes seraient des matériaux de qualité spatiale, des essais en enceinte à vide thermique et une version réutilisable à base d’alliages à mémoire de forme.

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