Cambridge développe une technique de pulvérisation à froid assistée par laser pour l’aérospatiale

Le Centre for Industrial Photonics (CIP) de l’Institute for Manufacturing (IfM) de l’université de Cambridge a mis au point une nouvelle technologie : la pulvérisation à froid assistée par laser (LACS). L’équipe affirme que cette dernière constitue une amélioration par rapport aux technologies de pulvérisation à froid existantes. Elle a également démontré l’efficacité du LACS dans des applications aérospatiales.

Avant de mettre au point cette nouvelle méthode, l’équipe de l’IfM utilisait l’azote comme gaz porteur pour la poudre. Elle s’est ensuite rendu compte que, lorsqu’elle travaillait avec des matériaux très résistants tels que le titane et les alliages d’aluminium, l’utilisation de l’hélium était essentielle pour obtenir un dépôt optimal. Le chef de projet, le professeur Bill O’Neill, a expliqué : « En effet, l’hélium, en raison de son poids moléculaire plus faible, permet d’obtenir des vitesses de particules plus élevées lors de la pulvérisation à froid, ce qui augmente l’énergie d’impact et améliore l’adhérence au substrat ».

Cependant, l’utilisation de l’hélium pose un problème : il coûte environ 92 euros par minute de fonctionnement, et même les efforts de recyclage les plus modernes n’ont permis de récupérer qu’environ 85 % de l’hélium. En outre, l’équipement de recyclage limitait considérablement la taille des pièces pouvant être fabriquées, car elles devaient s’intégrer dans une chambre de taille limitée pour capturer l’hélium excédentaire. Les chercheurs savaient qu’ils devaient trouver une solution plus réaliste qu’un système de recyclage de l’hélium, et ils ont donc commencé à étudier les lasers.

Comment fonctionne la pulvérisation à froid assistée par laser ?

• Une buse de pulvérisation à froid dépose un flux supersonique de poudres de matériaux solides ;
• Un laser chauffe le site de dépôt, réduisant la limite d’élasticité du substrat, ce qui renforce la liaison entre les matériaux sans qu’il soit nécessaire de les faire fondre.

Avantages par rapport aux autres méthodes de pulvérisation à froid

La technologie LACS surmonte les limites des techniques comparables liées aux hautes températures et aux matériaux. Ses avantages sont les suivants :

• Réduction des coûts en supprimant le besoin d’hélium ;
• Amélioration de l’adhérence et de l’efficacité du dépôt, ce qui permet d’obtenir des revêtements plus résistants que ceux obtenus par projection à froid classique, ce qui est important pour les matériaux à haute résistance tels que le titane et les métaux réfractaires ;
• La structure de la poudre est maintenue car le dépôt s’effectue à une vitesse de particules plus faible, ce qui est un avantage pour les matériaux aux propriétés spécifiques qui sont facilement endommagés, tels que les revêtements nanostructurés et les aimants en terres rares ;
• Meilleure compatibilité des matériaux, permettant le dépôt de matériaux plus durs et plus difficiles à traiter, qui n’adhèrent généralement pas bien dans le cadre d’une projection à froid standard ;
• Réduction des contraintes résiduelles et de la porosité, grâce à l’apport thermique du laser ;
• Impact thermique minimal sur le substrat, évitant les transformations de phase ou les distorsions, contrairement aux méthodes traditionnelles de pulvérisation thermique ;
• Rapidité, les revêtements pouvant être ajoutés à une vitesse allant jusqu’à 10 kg par heure ;
• Des températures plus basses dans l’ensemble du processus, car l’assistance laser permet au processus de fonctionner à des températures de gaz plus basses, par exemple 400-700°C, contre 1 200°C pour la projection à froid, ce qui réduit la consommation d’énergie et simplifie la conception du système ;
• Le réglage fin des propriétés du revêtement par la création de poudres personnalisées permet d’introduire dans les dépôts des caractéristiques spécialisées telles que le magnétisme, la lubrification à l’état solide et une meilleure résistance à l’usure ;
• Le contrôle local des propriétés avec une composition granulométrique qui permet de réduire les contraintes aux interfaces entre des matériaux dissemblables.

LACS pour l’aérospatiale

L’aérospatiale exige une grande précision, une grande résistance et une fabrication en volume relativement faible. En permettant la fabrication à la demande de revêtements et de réparations de composants de haute qualité, la technologie LACS a un fort potentiel de prolongation de la durée de vie des avions. Elle offre une solution durable, rentable et efficace. Les techniques de réparation traditionnelles, telles que le soudage, ne conviennent pas aux applications à hautes performances, car la chaleur nécessaire pour faire adhérer le nouveau et l’ancien matériau a un impact sur la résistance et la fiabilité de la pièce.

Futures applications

Comme le LACS permet aux utilisateurs de personnaliser les propriétés des matériaux, la technologie offre un large éventail d’applications. M. O’Neill a cité les exemples suivants :

• Production de composants légers pour les véhicules électriques et l’aérospatiale ;
• Création de systèmes de stockage d’hydrogène ;
• Amélioration de la maintenance des éoliennes ;
• Fabrication de batteries et de composants de piles à combustible à haut rendement énergétique ;
• Développement d’échangeurs de chaleur avancés pour les économies d’énergie dans l’industrie et de revêtements de catalyseurs pour la capture du carbone.

« Les applications potentielles du LACS sont illimitées et nous sommes motivés à l’idée de proposer une technologie qui peut contribuer de manière significative à la transition vers le zéro énergie, grâce à une technologie de fabrication plus efficace et produisant peu de déchets et aux possibilités qu’elle offre en matière de développement de produits durables« , a déclaré M. O’Neill.

Recherche future

Le prochain objectif du laboratoire est d’affiner la technologie LACS afin qu’elle puisse imprimer une forme en 3D. Les chercheurs étudient plusieurs moyens d’y parvenir, notamment le montage de la pièce sur un bras mobile pour lui permettre d’être déplacée en trois dimensions et l’amélioration du contrôle de la direction du flux de poudre afin de produire des bords nets et lisses. « Actuellement, nous avons peu de contrôle sur la forme du dépôt de la poudre, explique M. O’Neill. Ce n’est pas un problème pour les revêtements, mais c’est une contrainte importante pour les applications de construction de pièces. Notre prochain objectif est de trouver une solution à cette limitation, et nous avons déjà des résultats très prometteurs« . Pour en savoir plus sur cette recherche, cliquez ICI.

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*Crédits photo de couverture : L’équipement LACS est installé pour ajouter un revêtement afin de réparer un panneau d’aile d’avion / Université de Cambridge