ENGINEERINGNET.BE - Après un cycle initial d’engouement, marqué par des attentes excessives et des déceptions inévitables chez les premiers utilisateurs, la technologie de projection à froid n’a jamais vraiment percé. Pendant des années, les obstacles techniques ont été levés progressivement.
Aujourd’hui, elle connaît enfin un certain succès à l’étranger, notamment dans la réparation et refabrication de composants, l’impression 3D, … En Belgique, la technologie est peu connue. « L’outil est fiable mais les utilisateurs se limitent pour l’instant aux grands noms de la défense et de l’aéronautique/aérospatiale », déclare Patrick Cosemans, project leader au Sirris. Il observe toutefois un intérêt chez les entreprises flamandes et prépare l’acquisition d’une machine de démonstration pour la production.
Le procédé consiste à projeter des particules de poudre métallique ou céramique à une vitesse supersonique sur une surface. Les particules forment un revêtement ou une structure 3D. Ce procédé cinétique - un peu comparable au soudage par explosion - se déroule à basse température. Les avantages : le matériau ne fond pas, il n’y a pas d’oxydation, donc pas besoin de vide ni d’atmosphère protectrice. Le procédé convient à la construction de structures plus grandes, permet d’obtenir des revêtements sans pores, et une accumulation rapide de couches.
Le dépôt de matière peut atteindre jusqu’à 45 kg/heure. L’apport thermique est minime. Les logiciels, les jumeaux numériques et les robots multiaxes permettent une production fluide. Ces avantages incitent certains à placer des installations complètes dans un conteneur pour produire des pièces – par impression 3D - là où et quand elles sont nécessaires. On parle de fabrication au point de besoin. Sur un champ de bataille ou à proximité, par exemple.
Supersonique
La vitesse des particules est obtenue par la montée en pression – générée par le chauffage d’un gaz – qui atteint des vitesses supersoniques via une tuyère de Laval (convergente-divergente). La poudre, injectée dans le tube à haute pression, atteint à la sortie une vitesse pouvant atteindre jusqu’à 1.200 m/sec, soit environ trois fois la vitesse du son. L’expansion du gaz s’accompagne d’une chute de température à moins de 100°C.
On distingue la projection à froid à basse, moyenne et haute pression. Dans le cas de la projection à haute pression, la pression du gaz vecteur peut atteindre 6 MPa ou 60 bars et les débits peuvent dépasser 2 m3/min. Ces systèmes permettent la projection de mélanges de poudres métalliques et céramiques. Les systèmes à moyenne pression ont une pression limitée à environ 35 bars.
La projection à froid basse pression fonctionne avec des pressions comprises entre 0.5–1.0 MPa (5 à 10 bars) et des débits de 0,5 à 2 m3/min pour projeter des poudres métalliques pures et tendres. Les poudres métalliques ont des diamètres compris entre 5 et 50 μm. La projection à haute pression, robotisée dans une chambre fermée, est plus coûteuse. La projection à moyenne et basse pression ne couvre pas toute la plage d’applications. D’autre part, la projection à basse pression peut être réalisée manuellement.
« Il s’agit d’identifier les bons paramètres pour chaque combinaison de matériaux de support et de projection », explique Patrick Cosemans. Si l’énergie appliquée est trop élevée, le matériau va perforer le support, comme avec le jet d’eau ou le sablage. Si vous n’en appliquez pas assez, l’adhérence sera insuffisante. « Vous dépendez également de la forme et de la taille des poudres métalliques. Pour maintenir le coût des poudres abordable, nous utilisons des poudres disponibles sur le marché. » Celles-ci ne sont pas spécifiquement développées pour la projection à froid et leur qualité ou composition (différentes phases de l’acier) peut varier. Même le choix du gaz vecteur – hélium ou azote – a une influence sur la vitesse atteinte par les particules.
La technologie est particulièrement adaptée aux revêtements avec des matériaux ayant une très haute température de fusion – comme le tantale, le niobium et les superalliages – ainsi qu’avec des matériaux sensibles à l’oxydation comme l’aluminium, le cuivre, le titane, le carbure de tungstène, etc. Le résultat est une forme ‘near net shape’ qui est ensuite affinée à l’aide d’outils classiques. La technologie peut être utilisée pour appliquer des couches conductrices électriques/thermiques sur des pièces, fabriquer des composants multimatières, appliquer des revêtements fonctionnels (résistance à l’usure, anticorrosion, à faible frottement, à induction) et réparer des pièces simples ou complexes. Grâce à la mobilité de certains systèmes et à leur commande manuelle, il est possible de réparer des composants difficiles à déplacer.
Il existe des formes hybrides de projection à froid. The Welding Institute (TWI) a développé le procédé LACS (Laser Assisted Cold Spray) qui utilise un laser pour prétraiter (ramollir) les supports plus durs, permettant à la poudre projetée de mieux pénétrer dans la couche de base. Le Centre des Matériaux de Mines Paris-PSL (Paris Sciences et Lettres) étudie l’usage de nanolasers à impulsions courtes pour générer des ondes de choc qui améliorent l’adhérence des revêtements par projection à froid et densifient le matériau.
Recherche et installation de démonstration
Sirris prévoit l’acquisition d’une machine de projection à moyenne pression capable d’atteindre jusqu’à 20 bars dans le pistolet. Cela permet d’obtenir une vitesse du gaz vecteur de 700 à 800 m/sec. Cela sur un appareil doté d’axes X,Y et Z motorisés, pouvant être combiné à un outil laser, pour élargir la gamme d’applications des matériaux. L’installation sera équipée d’une caméra pour visualiser le flux de poudre au niveau de la tuyère et collecter des données. Plus tard, la machine pourra être complétée d’un support rotatif ou d’un bras robotisé.
« Nous préparons un appel d’offres européen pour l’acquisition de ce système. L’objectif est d’être opérationnel d’ici fin 2026 et d’utiliser l’installation à des fins de recherche et de démonstration. » L’Europe apporte un soutien financier de 40% via le FEDER et la Flandre contribue à hauteur de 10% du prix d’achat via le Fonds voor Innoveren en Ondernemen (anciennement Hermesfonds), qui fait office de fonds de financement de VLAIO. Sirris prendra en charge l’autre moitié dans le cadre de collaborations avec des entreprises et des universités. L’équipement sera installé sur le site de Sirris à Heverlee, au sein du département Innovation pour une Economie circulaire, spécialisé dans les revêtements et la réparation de pièces de machines.
« Une quinzaine d’entreprises ont déjà signé une lettre d’intention (LOI). Il s’agit d’entreprises manufacturières actives dans la production, la maintenance et la réparation, les poudres métalliques, la construction mécanique, l’éolien offshore, les revêtements, etc. « Le défi ne se limite pas à boucler le budget », précise Patrick Cosemans. Ce projet vise à développer les connaissances et rendre la technologie accessible aux entreprises. « Le défi consiste donc à identifier les matériaux et les paramètres adaptés aux propriétés requises – dans leur ensemble – pour les entreprises participantes. » La technologie globale de projection à froid est relativement mature, conclut Patrick Cosemans. « Ce n’est pas encore le cas pour le support laser. »
Une technologie peu exploitée
En Belgique, la technologie de projection à froid est peu exploitée. L’entreprise Hannecard (Ronse), spécialisée dans la réparation de rouleaux, l’utilise. Début 2024, CRM Group a installé une machine de projection à froid haute pression EvoCSII de la société allemande Impact Innovation (Rattenkirchen), qu’elle a utilisé pour recouvrir d’une épaisse couche de cuivre un moule imprimé en 3D de VLM Robotics. L’installation comprend un robot, une table tournante et un système DED (Direct Energy Deposition – Laser Powder). Fin novembre, le projet MASCOP (Manufacturing with Smart Copper Powders) a suivi avec la réparation et la fabrication de pièces en cuivre par projection à froid et DED.
L’organisation néerlandaise NWO (Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek) finance le projet CSAR qui étudie les propriétés des réparations par projection à froid pour la fatigue des métaux et la tolérance aux dommages. L’objectif est d’accélérer l’adoption de la technologie pour la MRO (Maintenance, Repair and Overhaul) dans l’aéronautique. Il s’agit principalement de réparer des pièces (en aluminium) endommagées qui ne peuvent pas être soudées et qui sont actuellement remplacées. Parmi les partenaires figurent SAM XL (campus de TU Delft), Dycomet Europe/aujourd’hui Titomic Europe (Heerenveen NL), KLM Engineering and Maintenance, le Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum et ADSE Consulting and Engineering.
L’année dernière, la Koninklijke Landmacht néerlandaise a commandé dix systèmes de projection à froid basse pression D523 au fabricant australien Titomic. Neuf seront envoyés en Ukraine pour des réparations sur le champ de bataille, le dixième sera utilisé aux Pays-Bas.
