À quelques kilomètres de Fontainebleau (Seine-et-Marne), le site EDF des Renardières est une petite ville dédiée à la R&D. Près de 700 chercheurs répartis dans 40 laboratoires y planchent sur des technologies prometteuses pour l’électricien. Ce creuset d’innovations qui privilégie les approches pluridisciplinaires s’est enrichi de nouvelles techniques de fabrication additive. L’objectif ? Évaluer leur potentiel en tant que procédés de réparation pour lutter contre l’obsolescence de son vaste parc d’installations. Les chercheurs du Laboratoire de fabrication et réparation des composants métalliques (FRCM) étudient depuis 2019 une technologie d’impression 3D méconnue : la projection de poudre à froid ou cold spray.
« C’est une technologie très intéressante pour la réparation – nous parlons de rechargement – de grandes pièces », explique Thibaut de Terris, ingénieur-chercheur spécialiste en fabrication additive à EDF. Elle consiste à projeter à froid et à très haute vitesse une poudre métallique sur un substrat. En s’écrasant sur la surface, les particules se déforment et y adhèrent. En déplaçant la buse, il est ainsi possible de créer des couches de matière. « Comme il n’y a pas de fusion du métal, nous gardons les propriétés d’origine de la matière, nous ne créons pas de zone affectée thermiquement et nous pouvons mettre en œuvre des matériaux qui résistent à la fusion », continue Yang Shen, chef de projet à la R&D d’EDF.
Projection supersonique
Le principe utilise les propriétés de détente d’un gaz – de l’azote ou de l’hélium – chauffé entre 100 et 1 100 °C pour l’accélérer à travers une buse dite « de Laval ». Courante dans les tuyères de moteurs-fusées, cette buse en forme de sablier permet au gaz sous pression d’atteindre des vitesses supersoniques. Avec l’hélium, gaz possédant la détente la plus importante, il est possible d’atteindre une vitesse de l’ordre de Mach 3. La poudre, placée dans la partie à haute pression du système, est projetée avec le gaz.
La cellule de fabrication occupe une grande partie de l’installation cold spray. Les appareils de mesure et de contrôle ainsi que les armoires de stockage des poudres se trouvent à l’extérieur. À l’intérieur de l’unité, dotée d’un important système de traitement de l’air, se dresse un imposant bras robotisé Kuka à six axes. Le dispositif cold spray, aux allures de pistolet, est installé à son extrémité. Dans un coin de la cellule, non loin du robot, se trouve le système qui permet d’ajouter la poudre. La pièce à « recharger » sera posée sur un plateau rotatif.
Reformer plutôt que remplacer
Dans la zone de fabrication, c’est l’effervescence. Les chercheurs s’affairent. Emmanuelle Schoener, la responsable du laboratoire FRCM, et Thomas Girard, le responsable de l’installation cold spray, préparent une pièce de forme conique pour une opération de réparation. « Il s’agit d’un pointeau de buse de turbine Pelton pour une centrale hydraulique, précise Yang Shen. Il oriente l’eau vers la turbine et est souvent endommagé par des éléments solides qui se trouvent dans le flux. »
Plutôt que de refaire une pièce, le procédé cold spray a été retenu pour recréer la partie endommagée. « Grâce à la fabrication additive, nous pouvons superposer plusieurs types de matériaux pour améliorer les propriétés de la pièce, commente Emmanuelle Schoener. Une première couche composée d’un matériau ductile a été projetée. Pour les dernières couches, nous allons utiliser du carbure de titane dans des proportions de plus en plus importantes afin d’apporter à la pièce la résistance voulue. »
Un déplacement programmé avec soin
Une fois les portes de la cellule refermées, le robot approche la buse de la surface de la pièce. Cette dernière se met à tourner sur son socle. Sur un écran, les chiffres indiquant la température et la pression dans le pistolet grimpent rapidement. Après une courte attente, la poudre commence à être éjectée. Une gerbe d’étincelles se crée aussitôt à la surface du pointeau. « C’est une réaction normale lorsque le titane est éjecté à cette vitesse », explique Thomas Girard.
Le robot entame des mouvements de haut en bas pour déposer la matière. « Pour que la couche soit uniforme, la buse doit rester perpendiculaire à la surface, pointe Yang Shen. Les mouvements du robot doivent être très précis, sinon nous risquons de créer des bourrelets de matière. » Avec sa forme effilée, le pointeau offre un bon aperçu du défi à relever : d’un mouvement fluide, le robot accompagne les courbes de la pièce. La programmation du trajet de ce dernier a demandé une semaine entière de travail. Arrivé aux extrémités, le robot poursuit sa course quelques secondes avant de revenir pour une nouvelle couche. « Les changements de direction sont particulièrement délicats à gérer avec le cold spray, précise Thomas Girard. Le robot ne doit pas ralentir sinon cela risque de créer des défauts. Pour cela, les variations de trajectoire s’effectuent en dehors de la zone de dépôt. »
Pour l’équipe du laboratoire FRCM, le cold spray est l’une des technologies les plus prometteuses pour remettre à neuf certaines pièces usagées et intéresse particulièrement les activités hydrauliques et nucléaires d’EDF. « Nous ne pouvons pas encore réparer des pièces critiques. Mais cette technique peut être déployée sur le terrain au moyen de systèmes cold spray portatifs, met en avant Yang Shen. Les principaux freins sont la phase de validation du procédé et l’absence de poudre spécifique mais cela pourrait évoluer dans un avenir proche. »
Famille de procédés Projection de poudre
TRL 8-9 (pièces non critiques), 4-5 (pièces critiques)
Forces Taux de dépôt élevé, possibilité de déployer la technologie sur le terrain, mise en œuvre de nombreux matériaux
Faiblesses Absence de norme ou de code réglementaire, dépendance à la géométrie de la pièce, manque de matériaux dédiés
