Le cold spray, une technologie idéale pour la fabrication additive ?

Les différentes technologies de fabrication additive disponibles aujourd’hui peuvent sembler infinies, bien qu’elles se classent souvent dans l’une des sept familles, mais pas toutes. Prenons l’exemple de la fabrication additive par pulvérisation à froid ou cold spray. La projection à froid est une technique qui implique l’utilisation d’un jet de gaz à grande vitesse – jusqu’à quatre fois la vitesse du son – qui accélère les particules de poudre sur un substrat, généralement un métal, sur une distance d’environ 25 mm. Le cold spray peut former un revêtement sur la pièce ou, dans le cas de l’impression 3D, être utilisée pour former une pièce entière. Le procédé de pulvérisation à froid a été mis au point par des chercheurs de l’Institut de mécanique théorique et appliquée (ITAM) de la branche sibérienne de l’Académie des sciences de Russie, dans les années 1980. Le groupe s’est rendu compte qu’il était possible de recouvrir des particules solides d’un flux de gaz à la température ambiante de stagnation.

Quand on parle de cold spray et d’impression 3D, il s’agit donc d’une technique qui utilise la pulvérisation à froid pour former des pièces entières (ou pour réparer des pièces cassées ou endommagées). Elle s’effectue à l’aide d’une buse de pulvérisation et de bras robotisés qui déplacent soit un substrat, soit la buse elle-même, les avantages et les limites de chaque méthode étant différents. Mais quels sont les avantages de cette méthode ? Qu’en est-il des applications ? Nous y avons jeté un coup d’œil.

Avantages et limites du Cold Spray en impression 3D

L’un des principaux avantages de la projection à froid par rapport à la projection thermique est que, la température ne dépassant pas 800 degrés, elle peut être utilisée pour les matériaux sensibles à la température (y compris les nanostructures) et à l’oxygène (tels que le titane et l’aluminium, qui s’oxydent tous deux), car les particules ne fondent pas. En outre, le temps de production est court – plus court que le SLM, l’EBM et le DED – et la liste des tailles de produits est illimitée. Le cold spray peut être réalisé avec un certain nombre de métaux différents et alliages. Il s’agit notamment de l’aluminium, du nickel, du cuivre, de l’acier et du titane, ainsi que des métaux précieux (argent, or et platine) et des matériaux réfractaires. De plus, l’impression 3D par cold spray présente un avantage particulier pour la réparation de pièces corrodées ou endommagées, notamment dans l’industrie aérospatiale.

Cela dit, la principale limite de la technique de pulvérisation à froid est la géométrie restrictive des pièces, la faible densité et précision, ainsi que la fragilisation des matériaux. Par rapport à d’autres méthodes d’impression 3D, les options sont extrêmement limitées, les machines n’étant proposées que par quelques fabricants. Les produits doivent être fraisés après leur fabrication pour lisser les surfaces et affûter les arêtes afin d’obtenir une forme optimisée.

Fabricants et applications

Parmi les entreprises qui proposent l’impression 3D par cold spray, on peut citer SpEE3D et son procédé breveté de « dépôt supersonique de particules », qui serait 1 000 fois plus rapide que l’impression 3D traditionnelle de métaux (par exemple, le binder jetting et le DMLS), avec son imprimante 3D métal WarpSPEE3D. Selon l’entreprise, l’utilisation de cette technologie fait d’elle le seul fabricant à proposer des pièces à un coût similaire à celui du moulage, et bien moins cher que les pièces à commande numérique. Un autre fabricant bien connu est Impact Innovations, une société allemande qui se concentre sur les solutions de pulvérisation à froid, en vendant des systèmes comprenant le pistolet de pulvérisation à froid, le chargeur de poudre, le panneau de commande, le refroidissement à l’eau et le préchauffeur de poudre. VRC Metal Systems dispose également de sa propre gamme, avec un système mobile de projection à froid et plusieurs solutions intégrées avec CNC. Certaines entreprises, comme la société suédoise Höganäs, se concentrent sur la production de poudre pour cette technologie.

Bien qu’elle puisse sembler être une niche étant donné le nombre relativement faible de solutions existantes, cette technologie a déjà été utilisée pour des applications innovantes. Par exemple, dès 2009, General Electric a reçu une subvention du gouvernement allemand pour financer ses recherches sur l’amélioration des moteurs à réaction modernes. La première utilisation de cette subvention a consisté à fabriquer de gros turbopropulseurs (un type de moteur à réaction utilisé dans la turbopropulsion), ce qui a permis de réaliser des économies « considérables ». La technologie peut également être utilisée pour fabriquer des structures en treillis qui renforcent les composants aérospatiaux, ainsi que pour les chambres de combustion et les tuyères des fusées. C’est le cas de SPEE3D, qui a utilisé sa technologie pour toutes sortes d’applications, des fusées aux applications militaires.

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