Rechargement laser 2.0: nouvelle technologie, nouvelles possibilites
La technologie du rechargement laser n‘est pas vraiment nouvelle. Cela fait plusieurs décennies qu‘on utilise un rayon laser pour faire fondre une poudre ou un fil métallique afin d‘appliquer ensuite une nouvelle couche superficielle sur un matériau existant. Mais plusieurs innovations, comme le rechargement à haute vitesse, ouvrent de nouvelles possibilités, de même que la construction de formes en 3D.
rechargement laser
En fait, le rechargement laser est un procédé de soudage. Deux métaux sont soudés en utilisant de l‘énergie thermique; dans le jargon, cela s‘appelle un assemblage métallurgique. Le gros avantage de l‘utilisation du laser comme source d‘énergie est que la chaleur peut être assez bien contrôlée, notamment pour éviter qu‘elle ne pénètre trop dans la pièce, ce qui pourrait modifier la structure du matériau. Le rechargement laser est un procédé précis et contrôlable qui offre un résultat prévisible.
Une différence importante entre le rechargement laser et la projection thermique est que le premier crée une liaison atomique en faisant fondre la couche supérieure du substrat. Sans ce type de liaison, il y a un risque de corrosion sous la couche supérieure, laquelle risque alors de se détacher de la pièce à un moment donné. L‘une des applications les plus courantes est l‘application de couches résistantes à l‘usure ou anticorrosion - ou de couches présentant d‘autres propriétés - sur des composants métalliques existants, par exemple des pièces utilisées dans l‘industrie lourde et soumises à l‘usure. Aux Pays-Bas, Bosch Rexroth, entre autres, utilise le rechargement laser pour appliquer une protection anticorrosion aux composants d‘entraînement industriels qu‘il produit. Pour cette application, le faible apport de chaleur constitue un immense avantage.
Rechargement a ultra-haute vitesse
L‘un des développements récents, dans lequel le Fraunhofer ILT d‘Aix-la-Chapelle a joué un rôle important, est le procédé EHLA, un procédé de rechargement laser à ultra-haute vitesse. La grande différence par rapport au laser cladding ordinaire est la vitesse à laquelle les fines couches (25 à 250 micromètres) de métal sont appliquées: jusqu‘à 500 mètres par minute. La vitesse est supérieure d‘un facteur 100.
L‘entreprise turque Bilsing Automation est l‘une des premières à utiliser le processus EHLA pour la réalisation de formes en 3D. Elle s‘en sert pour produire, entre autres, des outils de transformation. Bilsing Automation a monté la tête laser sur un robot mobile
C‘est dû en partie au fait que la poudre est déjà fondue avant d‘atteindre la surface de la pièce. Cela exige une grande précision de la buse car la trajectoire dans laquelle la poudre est envoyée doit être prévisible avec précision. Il doit également être possible de contrôler avec précision la vitesse de ce flux de gaz-poudre.
Comme de petites variations dans l‘alimentation en poudre peuvent entraîner de grandes différences au niveau de la qualité de la pièce, une nouvelle tête de revêtement a été développée pour cette installation. Cette High Quality Powder Nozzle (HighNo) coaxiale utilise un jet de poudre-gaz en forme d‘anneau ou conique, avec lequel le matériau en fusion peut être déposé sur la pièce de manière très précise. Le dosage précis et la vitesse permettent d‘appliquer des couches plus fines et de réduire encore la chaleur qui pénètre dans la pièce.
Le rechargement laser à ultra-haute vitesse est 100 fois plus rapide que le rechargement laser ordinaire
Avec l‘EHLA, l‘épaisseur moyenne de la couche est inférieure à la normale d‘un facteur 20. Il en résulte une meilleure rugosité de surface du revêtement, ce qui facilite et accélère le post-traitement. Ces dernières années, cette technologie EHLA a trouvé son application dans l‘industrie offshore, où elle constitue une alternative au revêtement (interdit) de Chrome 6, qui est remplacé par une couche d‘Inconel 625 ou d‘un autre matériau résistant à la corrosion.
Une variante spéciale consiste à appliquer une couche de céramique sur cette couche d‘Inconel par projection thermique, ce qui améliore encore la résistance à l‘usure. Cette couche hybride élimine le problème de la corrosion sous le revêtement métallique.
Rechargement laser de formes 3D
Jusqu‘à présent, la technique de rechargement à ultra-haute vitesse est utilisée presque exclusivement pour les pièces symétriques. En effet, la base de l‘installation est souvent un tour CNC.
Un développement récent dans le domaine de la technologie EHLA est le revêtement 3D. Il élimine cette limitation aux pièces symétriques. Ce développement provient également du Fraunhofer ILT. Au lieu de serrer la pièce symétrique dans un tour ‘dépouillé‘, on utilise pour le rechargement 3D un hexapode, une machine à cinématique parallèle. La pièce se déplace, la tête du laser est fixe. La construction spéciale de l‘hexapode assure les mouvements rapides de la pièce qui sont nécessaires ici.
Lasers pulses
Une autre innovation, qui permet d‘éviter les fissures ou autres erreurs de soudage, est l‘utilisation de lasers pulsés. Les tests ont été effectués avec du fil de soudage, et non de la poudre. Le laser pulsé crée un bain de fusion à la surface de la pièce.
L‘impulsion du faisceau empêche la surchauffe, un danger qui existe autrement et qui peut entraîner des microfissures sous le revêtement. En pulsant le laser, on peut mieux contrôler et réduire la quantité d‘énergie utilisée.
Le procédé de soudage peut être adapté aux caractéristiques de coagulation du matériau utilisé. Lorsqu‘on assemble ainsi deux matériaux différents, l‘assemblage est plus solide. Les chercheurs disent même que certains métaux difficiles à souder deviennent plus faciles à souder avec un laser pulsé. Les métaux réfractaires comme le tungstène et le molybdène ou le tantale, par exemple, peuvent être utilisés pour le rechargement laser.
Une puissance laser plus élevée signifie une plus grande productivité, mais exige une plus grande attention aux composants optiques
Dans le projet de recherche allemand, on a utilisé un fil de soudage de 0,8 mm car l‘une des applications dans l‘industrie médicale est le revêtement de composants médicaux. La durée de l‘impulsion varie de 1,2 ms à 2 ms. La durée totale du cycle peut être de plusieurs millisecondes et elle est réglable.
Lasers a haute puissance
Une autre tendance, à l‘autre bout du spectre, concerne les lasers à haute puissance, par exemple les sources laser de 10 kW et plus. Cela a été rendu possible d‘une part par l‘arrivée de sources laser très puissantes et d‘autre part par la baisse des prix.
Bien que la puissance supérieure du laser soit évidente lorsqu‘on recherche une plus grande productivité, il convient d‘accorder une plus grande attention aux composants optiques afin d‘éviter l‘influence de la chaleur et de la réflexion de la lumière.
Réparation automatique de composants de turbine
L‘une des applications de longue date du rechargement laser est la réparation de l‘extrémité des pales de turbine. La société américaine Optomec est l‘un des pionniers dans ce domaine et a récemment franchi le pas vers l‘automatisation du processus. Elle combine l‘installation de cladding avec la vision et un robot industriel à 6 axes, qui charge et décharge les pales.
La technologie de vision est utilisée pour déterminer exactement la quantité de nouvelle matière à appliquer, après quoi la commande génère automatiquement le programme. La technologie de rechargement proprement dite est déjà pleinement utilisée dans l‘industrie aéronautique et elle est certifiée pour ça.
L‘été dernier, Optomec a obtenu une commande de l‘industrie aéronautique américaine pour la construction d‘une ligne automatisée destinée à la réparation de composants de turbines par rechargement laser. C‘est la première fois que des pièces en titane - notamment - sont rechargées de manière automatisée.
