Le U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory (CCDC-ARL) a accordé 25 millions de dollars au Worcester Polytechnic Institute (WPI) pour mettre au point une technique d’impression 3D appelée projection à froid qui est utilisée pour réparer les véhicules et autres technologies critiques sur le terrain.
Alors, qu’est-ce que la « Technique de projection à froid » (Cold Spray 3D Printing) ?
« L’Armée de terre s’intéresse à l’impression 3D par pulvérisation à froid comme technique de réparation », a déclaré Danielle Cote, professeure adjointe en science et ingénierie des matériaux et directrice du Center for Materials Processing Data du WPI, qui est le chercheur principal du projet ARL.
Les chercheurs expliquent que, dans la pulvérisation à froid, la poudre de pulvérisation est injectée dans un jet de gaz qui accélère le matériau à des vitesses supérieures à un seuil unique dépendant de la température qui permet une liaison métallurgique et mécanique au substrat à des températures relativement faibles. Les opérateurs peuvent fournir une épaisseur illimitée d’une manière contrôlée, ce qui en fait un candidat idéal pour la fabrication additive.
« Il est moins coûteux de réparer une pièce que de la remplacer, et vous remettez l’équipement en service plus rapidement. Le principal intérêt de l’Armée de terre est l’état de préparation de l’unité. Si vous êtes en mission et que vous avez besoin de vous déplacer rapidement vers un endroit plus sûr et qu’une pièce essentielle de votre véhicule se brise, vous êtes coincé à moins de pouvoir la réparer rapidement. C’est là qu’intervient la pulvérisation à froid », explique Danielle Côté.
L’objectif principal de WPI sera de développer, caractériser et tester de nouveaux alliages optimisés pour une utilisation en projection à froid. Selon M. Cote, les caractéristiques des poudres métalliques utilisées dans la pulvérisation à froid sont d’une importance cruciale puisque le métal n’est pas fondu avant d’être pulvérisé sur une pièce qui doit être réparée et qu’il n’est pas traité thermiquement après application. « Dans la plupart des méthodes de fabrication, les alliages métalliques sont d’abord fondus, puis souvent traités thermiquement pour renforcer ou améliorer leurs propriétés. Avec la pulvérisation à froid, ce que vous obtenez dans la réparation est exactement ce avec quoi vous commencez, donc les caractéristiques des poudres sont très importantes. »
WPI développera et étudiera des poudres à l’aide d’une variété d’équipements de pointe, y compris des instruments acquis dans le cadre du nouveau prix ARL. Il s’agit notamment d’outils permettant d’étudier les propriétés chimiques et structurelles des poudres à l’échelle nanométrique, tels qu’une unité SEM/EDS (microscope électronique à balayage et spectroscopie à dispersion d’énergie), un analyseur de particules par diffraction laser synchrone et dynamique pour déterminer les morphologies de poudre, et des nano-indenters pour mesurer les propriétés mécaniques à l’échelle du nanomètre.
Parmi les modifications qui seront apportées aux poudres figurent des traitements thermiques uniques, une technique mise au point par WPI, a indiqué M. Cote. Contrairement aux métaux utilisés dans d’autres procédés de fabrication de métaux, y compris la fonderie et le forgeage, les alliages utilisés en pulvérisation à froid n’ont pas besoin d’être traités thermiquement, ce qui donne aux chercheurs de WPI accès à une vaste gamme de matériaux potentiels. Cependant, les propriétés des poudres à pulvériser à froid peuvent être affinées par l’application minutieuse de la chaleur. « Cette expertise est l’une des raisons pour lesquelles l’ARL continue d’appuyer WPI, a déclaré M. Cote. « Nous avons découvert que les propriétés des poudres métalliques peuvent être considérablement améliorées par le traitement thermique, et c’est ce que nous cherchons à faire avec ce nouveau prix. »
Comment des poudres à pulvériser à froid conçues sur mesure pourraient aider à améliorer l’état de préparation militaire
Plusieurs exemples peuvent illustrer l’importance des poudres à pulvériser à froid pour l’état de préparation militaire. Les boîtes de vitesses d’hélicoptères, par exemple, ont besoin de réparations fréquentes. « Si vous avez besoin de remplacer une pièce de ce genre, cela peut prendre des mois, voire des années, et le coût est important – en supposant que la pièce est disponible ou même encore en cours de fabrication. Pour réparer une boîte de vitesses avec pulvérisation à froid, vous avez besoin d’alliages à haute résistance, ténacité et ductilité. Notre méthodologie nous permettra de développer des poudres qui pourront être utilisées pour réparer ou même fabriquer efficacement des pièces de ce type et remettre rapidement les hélicoptères en vol », explique M. Cote.
Bien que le prix de l’ARL soit principalement axé sur les alliages pour les réparations, M. Cote a fait remarquer que « la projection à froid est une technologie de base ayant une grande variété d’applications, dans l’armée et au-delà ». Dans le cadre du programme de recherche, une équipe de co-chercheurs principaux de plusieurs disciplines de WPI explorera de nouvelles applications prometteuses, y compris l’utilisation de la pulvérisation à froid pour appliquer des revêtements de cuivre afin de donner des propriétés antibactériennes aux équipements.
Les chercheurs du programme d’ingénierie robotique de WPI exploreront l’utilisation de robots multi-axes pour automatiser la pulvérisation à froid. « L’Armée de terre s’intéresse particulièrement aux systèmes portatifs de pulvérisation à froid, mais la technologie peut aussi être utilisée à plus grande échelle – dans l’industrie, par exemple – et il sera intéressant de voir comment les robots peuvent aider à étendre l’utilisation de ce procédé et d’autres procédés de fabrication additive ».
« Je pense qu’il y a beaucoup de potentiel pour cette technique. Avec le travail que nous allons faire dans le développement de poudres, en robotique et dans un certain nombre d’autres domaines, je pense que nous allons faire un grand pas en avant avec la pulvérisation à froid. Il y a vraiment des possibilités infinies. »
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