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Une technique au plasma pour produire des composants 3D flexibles

Une technique pionnière permet de produire un matériau alliant la légèreté et la stabilité de la céramique à la solidité du métal. Elle pourrait profiter à des secteurs où les composants sont amenés à fonctionner dans des conditions extrêmes, comme le transport aérien et la médecine.

Recherche fondamentale

Les plasmas technologiques sont des gaz qui contiennent des particules chargées électriquement. Cette caractéristique permet de stimuler des réactions chimiques. C’est la raison pour laquelle ce type de plasma est souvent utilisé pour nettoyer, graver ou modifier les surfaces des matériaux. «Nous voulions pousser cette méthode un peu plus loin», explique Allan Matthews, coordinateur du projet 3D Cer-Met et professeur d’ingénierie des surfaces et de tribologie à l’Université de Manchester, au Royaume-Uni. «Dans ce projet, notre objectif consistait à utiliser des plasmas pour convertir des parois métalliques minces, comme les feuilles d’aluminium, en phases céramiques. En pratique, cela revient à créer des composants 3D à paroi mince qui se comportent principalement comme des céramiques puisqu’ils sont légers et chimiquement stables. Ils conservent néanmoins la solidité d’une âme métallique.» Allan Matthews était convaincu que cette méthode pouvait ouvrir la voie au développement de nouveaux produits aussi divers que des appareils médicaux et des pièces automobiles ou d’avion.

Des composants 3D flexibles

Le projet 3D Cer-Met a été lancé en janvier 2019 pour étudier les moyens de mettre ce processus en œuvre. Il s’appuie sur les travaux fondamentaux menés au cours du projet IMPUNEP, financé par le CER, qui s’est concentré sur l’étude et l’utilisation des procédés basés sur le plasma. «Ce projet a permis de faire passer ces recherches au niveau supérieur», déclare Allan Matthews. «Nous devions apprendre à contrôler le processus, afin que le taux de croissance de la nouvelle phase céramique soit uniforme sur une surface 3D complexe.» Atteindre cet objectif n’aurait pas été possible sans une compréhension approfondie des caractéristiques spécifiques à la transformation des métaux en céramique. Pour y parvenir, l’équipe a dû mettre au point de nouvelles méthodes de recherche. «Ces travaux nous ont permis de démontrer la faisabilité de notre approche», note Allan Matthews. «Nous avons créé des prototypes de composites céramique-métal à paroi mince présentant des formes complexes, à une échelle de laboratoire. Nous avons également réussi à comprendre comment faire évoluer le processus, et comment l’appliquer à de nouvelles formes et de nouveaux matériaux de substrat.» Au bout du compte, l’équipe est parvenue à démontrer qu’il était possible de créer des couches céramiques uniformes sur les surface de substrats métalliques complexes.

De nouvelles possibilités d’ingénierie

Le principal avantage de l’approche 3D Cer-Met tient au fait qu’elle permet de créer des structures à parois minces avec des formes complexes. Ces composants résistent très bien aux attaques des composés acides agressifs et affichent une excellente tolérance aux basses et hautes températures. «Cela n’aurait pas été possible en utilisant des techniques conventionnelles de traitement de la céramique», ajoute Allan Matthews. Les connaissances acquises dans le cadre du projet 3D Cer-Met vont maintenant être appliquées dans le but de faire passer la technologie à l’échelle supérieure. «Ce procédé profitera grandement aux secteurs manufacturiers intéressés par la production et l’utilisation de composants céramiques et céramo-métalliques dotés de performances structurelles et fonctionnelles améliorées», explique encore Allan Matthews. «Nous cherchons actuellement à établir des collaborations avec des partenaires industriels qui souhaiteraient mettre en œuvre ces développements technologiques.» Allan Matthews estime que la prochaine étape logique consisterait à mener des recherches, non seulement pour faire passer la technologie à l’échelle supérieure, mais aussi pour la rendre plus polyvalente. Il s’agirait de l’appliquer à des pièces plus grandes, ainsi qu’à d’autres substrats métalliques. «Nous pouvons également entrevoir le potentiel qu’offrirait une numérisation de cette technologie de fabrication», ajoute-t-il. «Les travaux que nous avons accomplis, notamment en ce qui concerne la modélisation et le contrôle numériques du processus, constituent une base solide pour ces activités.» Au final, Allan Matthews est convaincu que cette méthode de fabrication innovante deviendra un atout utile au sein d’un portefeuille de technologies futures de fabrication, en offrant une solution respectueuse de l’environnement et économe en ressources.

Mots‑clés

3D Cer-Met, céramique, métal, plasmas, aluminium, composite, substrats

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