Autodesk s'associe au laboratoire JPL de la NASA pour repenser la conception de Lander interplanétaire

En 2012, le monde entier avait admiré le robot Curiosity parachuté à la surface de Mars, en train de collecter des échantillons. Les données et les images qu’il nous avait renvoyées nous ont permis d’en apprendre davantage sur la planète rouge et sur les possibilités de vie qui y sont offertes.

Cette mission a aussi été un succès important pour les concepteurs et les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Pour autant jusqu'à présent, peu de preuves de vie sur Mars ont été trouvées, qu’elles soient passées ou présentes.

Les scientifiques pensent désormais qu’il est plus susceptible de trouver des signes de vie sur Saturne et Jupiter. Mais ces planètes géantes se trouvent beaucoup plus loin. À plus de 56 millions de km, le voyage sur Mars était court comparé aux 587 millions de km qui nous séparent de Jupiter. Et encore, Saturne est à plus de 613 millions de km. Envoyer des landers dans ces lieux si éloignés présente des défis de conception et d’ingénierie bien plus importants. Pour les relever, le laboratoire JPL de la NASA et Autodesk se sont engagés dans un projet de recherche collaborative pluriannuel afin de rechercher de nouvelles méthodes de conception et de fabrication pour l’exploration spatiale, en utilisant la technologie de conception générative d’Autodesk.

Mark Davis, directeur principal de la recherche industrielle chez Autodesk, a été le premier à contacter le laboratoire JPL au sujet d'une collaboration. « Ils nous ont clairement indiqué qu’ils n’étaient pas intéressés par des gains incrémentiels. S’il s’agissait d’améliorer les performances uniquement de 10 %, cela ne les intéressait pas. Si nous pouvions leur fournir des outils logiciels les aidant à améliorer leurs performances de 30 % ou plus, nous aurions toute leur attention. Cela démontre combien nos technologies peuvent générer des économies de masse. »

Ce concept de « Lander » - peut-être la structure la plus compliquée jamais créée à l'aide de la conception générative - a été dévoilé à Autodesk University le 13 novembre 2018 à Las Vegas.

La vie d’un « Lander »

Pour mener à bien une telle mission, un Lander interplanétaire doit effectuer des opérations complexes à des températures très inférieures à zéro et résister à des niveaux de radiations des milliers de fois supérieurs à ceux sur Terre. Mais avant tout, il lui faut emporter assez de carburant pour se rendre où il doit aller.

Le poids au décollage est un élément crucial quand on parle de conquête spatiale. Chaque kilogramme en moins sur la charge structurelle permet d’augmenter la charge scientifique des capteurs et des instruments qui permettront de rechercher des signes de vie en dehors de la Terre.

Trouver l’équilibre entre l’éprouvé et le possible

Certains secteurs cherchent à obtenir le plus rapidement possible un « produit viable basique », quitte à l’améliorer plus tard. Mais dans le domaine de l'exploration spatiale, chaque raté a un coût, élevé. Une mission spatiale n'a généralement qu'une chance de réussir. On comprend mieux pourquoi les équipes du laboratoire JPL de la NASA sont prudentes face à la mise en place de nouveaux processus. Ils restent fidèles à ce qui fonctionne : d’une part à des matériaux qualifiés comme le titane et l'aluminium, dont ils savent qu'ils résistent dans les conditions difficiles de l'espace, et d’autre part, à des processus de fabrication comme l'usinage CNC qui ont fait leurs preuves.

Parallèlement, pour ne pas être dépassés, il est nécessaire pour ces équipes de se pencher sur les progrès apportés par les nouvelles technologies. Il faut toujours trouver un équilibre entre ce qui a été éprouvé et ce qui est possible.

Au sein du laboratoire JPL de la NASA, la division Atelier est l’équipe chargée de tester de nouvelles approches et de nouveaux processus. Puis, elle recommande les plus prometteurs aux équipes qui travaillent sur des missions spécifiques.

« Ce qu’ils font, c’est qu’ils insèrent avec soin les nouvelles technologies dans leurs processus », explique Karl Willis, responsable technologique chez Autodesk. « Ils savent qu'ils doivent rechercher de nouvelles façons de procéder tout en minimisant les risques. »

Innover grâce à la conception

La conception générative est une approche relativement nouvelle de la conception qui utilise l'intelligence artificielle et le cloud pour générer rapidement un large éventail de solutions de conception qui répondent à des contraintes spécifiques définies par les ingénieurs en amont. Cela permet aux équipes de conception de parcourir un éventail de conceptions beaucoup plus large tout en restant liées aux exigences de fabrication et de performances dictées par l'équipe ou l'environnement.

Cette technologie de conception générative est désormais accessible dans Fusion 360, la plate-forme de développement de produits basée sur le cloud d’Autodesk.

Mark Davis et son équipe de recherche chez Autodesk continuent de développer la technologie et le logiciel pour l’utiliser à titre expérimental, comme avec le laboratoire JPL. « Nous avions personnalisé notre logiciel pour le sport automobile de haute performance pour aider nos clients à résoudre plusieurs contraintes de conception à la fois. Nous l'avons ensuite appliqué aux problèmes que le laboratoire JPL devait prendre en compte », déclare Mark Davis. « Nous avons pris un système conçu pour aider à résoudre des problèmes de suspension sur une Formule 1 et y avons appliqué de nouvelles exigences pour les contraintes structurelles essentielles à l'exploration spatiale. Cela nous a permis de pousser encore plus loin les capacités du logiciel et d'aider nos clients à résoudre des problèmes encore plus grands et plus complexes. »

La conception générative est souvent associée à l'impression 3D (ou fabrication additive) qui convient parfaitement aux formes complexes et organiques créées par le logiciel en fonction des spécifications de l'utilisateur. Mais le logiciel donne également aux utilisateurs la possibilité de définir des contraintes liées aux procédés de fabrication. « Nous sommes désormais en mesure d’aider nos clients à résoudre simultanément leurs multiples contraintes de fabrication. Cela offre ainsi des options d’usinage CNC et de moulage en plus de l’impression 3D », explique Mark Davis.

Alors que d'autres logiciels permettraient d’optimiser une seule pièce en termes de rigidité et de poids, la technologie de conception générative d'Autodesk permet aux clients de prendre en compte d'autres stratégies de conception et de produire toute une gamme de solutions viables, plutôt qu'une seule version optimisée.

Pour le projet du Lander, l'équipe du laboratoire JPL a étudié l'utilisation de la technologie de conception générative pour plusieurs composants structurels, y compris la structure interne qui contient les instruments scientifiques et la structure externe qui relie les pattes du Lander au conteneur principal. L’équipe a pu réduire de 35 % la masse de la structure externe par rapport à la conception initiale.

Apprendre, Améliorer, Répéter

La conception générative présente l’avantage d’avoir permis à l’équipe du laboratoire JPL d’itérer rapidement leurs conceptions. « À mesure qu'un design mûrit et que de nouvelles données de performance ou environnementales entrent en jeu, la conception générative peut permettre à nos clients de générer rapidement de nouvelles conceptions », explique Karl Willis. La plupart des équipes de design mettent généralement entre 2 et 4 mois pour modifier une nouvelle conception. En travaillant avec la conception générative, ce processus ne prend que 2 à 4 semaines. « La souplesse et la rapidité pour redéfinir un problème existant au lieu de repartir de zéro, combinées à la possibilité de pouvoir spécifier des contraintes de fabrication, est une réelle révolution pour les personnes concevant ce type de structures », déclare Karl Willis.

Créer un Lander pouvant résister aux conditions extrêmes de l’espace sur d’immenses distances est un défi de taille. Les designers du laboratoire JPL étudient et utilisent toutes les nouvelles technologies à leur disposition. A ce jour, l’utilisation de la conception générative est encore officiellement considérée comme un projet de recherche pour le développement au sein du laboratoire JPL.

Mais prendre l’apparemment impossible et le rendre possible est la spécialité de cette équipe. Alors que la puissance de calcul des ordinateurs a fait avancer le programme spatial dans les années 1960, les nouvelles technologies comme la conception générative ouvrent de nouveaux horizons pour l'exploration spatiale et mieux connaître notre place dans l'univers.

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