La métallisation à froid, le « cold spray » revient au top en tant que nouvelle méthode de fabrication

« Cold Spray » : dernier venu dans l'additif métallique

| Auteur / Rédacteur: Jean Guilhem, journaliste indépendant / Gilles Bordet

La Spee3D est concue et fabrique e à Melbourne en Australie.
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La Spee3D est concue et fabrique e à Melbourne en Australie. (Source : Speed 3)

La SPEE3D a été conçue en Australie à partir du procédé « Cold spray » pour réaliser des pièces en fabrication additive. Avec ce principe, des poudres métalliques sont agglomérées par collision à vitesse supersonique.

Développé au milieu des années 1980 pour la métallisation à froid, le « cold spray » revient au top en tant que nouvelle méthode de fabrication additive métallique. Son principe est relativement simple. Il repose sur l'accélération d'un gaz chaud à l’intérieur d’une tuyère convergente-divergente qui transforme température et pression du gaz en éjection à vitesse supersonique. Il ne reste plus qu’à injecter dans le flux, des poudres qui vont se trouver propulsées à très haute vitesse. Résultat : Positionnée entre 20 et 40 mm de la cible avec un angle de tir au plus près de la normale à la surface, la tuyère projette des micros grains accélérés aux environs de 1200 m/s. Cette pulvérisation à ultra haute énergie cinétique sur le substrat crée la fabrication additive car au-dessus d'une certaine vitesse, qui est caractéristique pour chaque matériau, les particules forment à l'impact un revêtement dense très adhérent. Il ne reste qu’à épaissir la déposition en passes successives millimétrées. Les gaz utilisés sont l'air, l'azote ou l'hélium. L'utilisation de ce dernier permet d'atteindre de plus hautes vitesses mais demeure réservé aux matières les moins ductiles vu son prix élevé.

Le procédé élimine les contraintes de températures élevées des dépôts et substrats car le « cold spray » s’effectue à dans un environnement qui ne dépasse pas 100°C, d’où son nom. Ainsi les effets de fusion, d'évaporation, de cristallisation, d'oxydations spécifiques aux projections thermiques sont tout simplement éliminés.

Pour chaque matériau les paramètres critiques sont la pression et la température du gaz ainsi que la distribution granulométrique de la poudre. En comparaison avec les procédés de fabrication additive métallique à partir de lasers ou de faisceaux d’électrons (SLM, EBM ou CLAD), les poudres du « cold spray » n’ont pas besoin d’une géométrie (sphéricité) particulière. Elles sont donc moins onéreuses.

Jean Guilhem, journaliste indépendant
Jean Guilhem, journaliste indépendant (Source : Jean Guilhem)

Commande numérique et robot à la barre

« Pour industrialiser ce principe, la société australienne SPEE3D propose une petite machine qui intègre un robot six axes ABB capable de supporter la tuyère spéciale avec suffisamment de précision pour des déplacements continus en trois dimensions. Le tout est installé dans une enceinte hermétique type machine-outil. Entièrement intégré, cet ensemble dédié aux alliages à base de cuivre ou d’aluminium permet de fabriquer des éléments jusqu’à 3kg, avec des taux de déposition de l’ordre de 100 grammes par minute dans un volume de travail de 300 mm au cube. Sa finesse est fonction du spot qui affiche un diamètre de 4 à 7 mm » explique Henri Soury-Lavergne, Directeur Général Adjoint de la société Multistation qui commercialise la machine en Europe.

Alimentée en 415 V triphasé, cette unité d’environ 2500 kg nécessite aussi un compresseur externe à trois étage de 15 kW qui fournit de l’air comprimé sous 30 bars et un système d’extraction piège une partie des poudres non utilisées pour les recycler. L’ensemble est piloté par une Commande Numérique (CN) capable d’opérer à partir de fichiers CAO au format STL.

« Economique et simple, ce procédé qui demande pas ou peu de chauffage du substrat affiche de multiples avantages notamment une densité du dépôt proche de la densité théorique du matériau massif, de faibles contraintes, de fortes épaisseurs de pièces, une rugosité faible pour le composant obtenu, un rendement matière de plus de 90 %, une adhérence au substrat équivalente à celle des procédés plasma et HVOF (traitement de surface par projection thermique) et une très bonne cohésion inter particules.

De plus, des poudres nanométriques conventionnelles suffisent pour une large variété de matériaux » souligne explique Henri Soury-Lavergne.

Cependant, les matériaux compatibles avec le cold spray sont limités à ceux présentant une certaine ductilité ce qui exclut tous les oxydes et les carbures métalliques purs, les alliages durs comme certaines bases cobalt et bases nickel ainsi que des aciers fortement alliés. Néanmoins, des essais en laboratoires montrent la possibilité d’obtenir des dépôts hybrides avec des combinaisons de métaux dissemblables ou des composites métal (matrice) céramiques en utilisant des poudres bimodales spécialement élaborées…Belles perspectives de R&D ! MSM

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