fr.wedoany.com Rapport : L’Institut Fraunhofer pour la technologie laser (Fraunhofer ILT), en collaboration avec des partenaires industriels, développe dans les quatre projets RePEEK, EPOS, LEMBAS et pureWaterSeal des procédés de revêtement haute performance sans PFAS basés sur le laser, couvrant des applications industrielles telles que les grandes pièces métalliques, les paliers lisses, les rouleaux en élastomère et les joints d’étanchéité. Ces procédés exploitent la capacité du laser à agir sur la surface des matériaux de manière précise, localisée et brève, permettant d’appliquer de manière fiable des matériaux de substitution sans PFAS sur différents substrats, tout en évitant les problèmes des procédés de four conventionnels, à savoir une consommation d’énergie excessive ou des dommages thermiques au substrat.
Les substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS) présentent une stabilité chimique et thermique extrêmement élevée, permettant de réduire le frottement, de prévenir l’usure et la corrosion, d’éviter l’adhérence et d’offrir des performances de fonctionnement d’urgence lorsque le film lubrifiant vient à manquer. Le Dr Samuel Moritz Fink, responsable du groupe de procédés de couches minces de l’institut, indique que les matériaux contenant des PFAS se trouvent généralement aux endroits où les pièces supportent les charges les plus élevées. Les matériaux de substitution doivent non seulement pouvoir adhérer aux surfaces métalliques, plastiques ou en caoutchouc, mais aussi résister à des températures élevées, ne pas se détacher sous charge, tout en garantissant une économie de revêtement pour les grandes pièces. Des matériaux comme le polyétheréthercétone (PEEK) présentent un potentiel sur le plan chimique et mécanique, mais n’atteignent pas nécessairement toutes les performances du polytétrafluoroéthylène (PTFE) ; un simple changement de matériau ne suffit donc pas à résoudre le problème.
La clé réside dans le procédé de revêtement. Le Dr Christian Vedder, responsable du département des technologies de surface et de l’enlèvement de matière de l’institut, souligne que l’objectif de la recherche n’est pas un simple remplacement de matériau, mais la construction ciblée de systèmes de couches innovants grâce aux procédés laser. Le laser permet de structurer la surface, d’améliorer la liaison entre le matériau de substitution et la pièce, ou de modifier localement le revêtement, tout en évitant un échauffement intense de l’ensemble de la pièce.
Le projet RePEEK développe des revêtements à base de PEEK pour les pièces fortement sollicitées en mouvement dans le domaine de la construction mécanique, telles que les grands paliers lisses, les joints, les pistons et les électrovannes. Dans les grands paliers lisses d’éoliennes, l’arbre fonctionne généralement dans un système de couches contenant du PTFE. Si l’on chauffe l’ensemble d’une grande pièce métallique dans un four, la consommation d’énergie est élevée et les cycles sont longs, car beaucoup plus de matériau est chauffé que nécessaire pour le revêtement. L’équipe de recherche génère d’abord au laser une couche métallique volontairement rugosifiée sur la surface métallique, puis applique de la poudre de PEEK dans le même environnement de procédé et la fait fondre localement, de sorte que le plastique s’ancre dans la surface métallique rugueuse, formant un matériau composite composé d’une couche fonctionnelle métallique et d’une couche supérieure à base de PEEK. Pour ce faire, l’équipe a développé une technologie de buse cyclonique, brevetée, qui ralentit considérablement le flux d’air, de sorte que la poudre frappe la surface à faible vitesse sans rebondir, améliorant ainsi le taux d’utilisation du matériau et la contrôlabilité du procédé.
Le projet EPOS, dirigé par Delil Idris Demir du Fraunhofer ILT, étudie comment construire des revêtements à base de PEEK sur de grandes pièces de paliers lisses avec une fiabilité de procédé élevée et une structure multicouche. L’application par couches successives permet d’obtenir des épaisseurs de revêtement plus importantes sans chauffer l’ensemble de pièces pesant plusieurs tonnes. ACS Coating Systems participe à ce projet ; cette entreprise développe en continu de tels revêtements de glissement depuis le milieu des années 1990 et produit aujourd’hui des revêtements d’une épaisseur allant de quelques micromètres à un millimètre. Son directeur général, le Dr Christoph Stecher, apporte son expertise au projet du point de vue de la structure des revêtements, des applications industrielles et de la production en série ultérieure. Polymer Service GmbH Merseburg (PSM), sous la direction de la professeure Dr Katrin Reincke, évalue et analyse les revêtements, en se concentrant sur la cristallinité, la structure, l’état thermique ainsi que les propriétés mécaniques et thermomécaniques du PEEK, afin de coordonner le procédé laser avec la structure multicouche du revêtement et de garantir une adhérence uniforme du revêtement et sa capacité à supporter les charges en service des paliers lisses.
Le projet LEMBAS s’intéresse aux rouleaux et cylindres en élastomère utilisés dans la production de films, l’industrie de l’emballage, la production de papier et la technologie médicale. Les particules à la surface des rouleaux peuvent poser problème dans les procédés à grande vitesse ; l’industrie utilise couramment des revêtements en silicone pour conférer des propriétés anti-adhésives, mais leur durabilité peine à répondre aux exigences des procédés modernes à grande vitesse. Adam El-Sarout, du groupe de procédés de couches minces du Fraunhofer ILT, souligne que les revêtements en silicone, bien qu’ils offrent les propriétés anti-adhésives requises, n’atteignent pas toujours la durabilité exigée par les procédés modernes à grande vitesse. L’équipe, en collaboration avec le spécialiste du revêtement Rhenotherm, développe des procédés laser utilisant des polymères haute performance tels que le PEEK, le polyamide ou le polypropylène, qui sont plus résistants à l’usure, plus résistants aux produits chimiques et exempts de PFAS par rapport au silicone. La difficulté technique réside dans la fenêtre de température : la fusion des polymères haute performance nécessite des températures élevées, tandis que les élastomères comme l’EPDM ont une résistance thermique limitée ; si l’on chauffe l’ensemble du rouleau en caoutchouc, le substrat est endommagé. Le laser ne génère des températures élevées que localement et brièvement dans le matériau de revêtement, faisant fondre la couche fonctionnelle tout en protégeant la pièce en élastomère située en dessous. L’équipe a également développé une couche intermédiaire pour protéger l’élastomère et renforcer la liaison du revêtement, et a adapté les propriétés optiques et rhéologiques du matériau au procédé laser.
Le projet pureWaterSeal est mené conjointement par l’Institut Fraunhofer pour la technologie laser (ILT) et l’Institut Fraunhofer pour la mécanique des matériaux (IWM), avec pour objectif de développer des joints d’étanchéité durables sans PFAS, compatibles avec des lubrifiants à base d’eau. Les experts de l’IWM ont développé des revêtements de carbone de type diamant (Diamond-like carbon, DLC) spécialement conçus pour les pièces en plastique sans PFAS ; l’équipe de l’ILT structure ensuite ces revêtements au laser, éliminant localement les contraintes internes et les charges mécaniques tout en préservant la stabilité globale du revêtement. La combinaison de la structuration laser et du revêtement permet de réduire le frottement, d’améliorer la résistance à l’usure et de prolonger la durée de vie des joints. Selon Matthias Laermann, responsable de l’équipe de structuration de surface de l’institut, l’Allemagne consomme environ un million de tonnes de lubrifiants huileux par an, et un seul litre peut polluer jusqu’à un million de litres d’eau souterraine. Les premiers prototypes fonctionnent déjà dans des pompes de centrales géothermiques, et l’équipe de recherche travaille avec des partenaires industriels pour adapter les joints à des applications telles que les voitures particulières, les hélices de navires, les éoliennes et les moissonneuses-batteuses, tout en préparant le transfert vers des équipements plus grands et la production industrielle en série.
La conclusion commune de ces projets est que l’élimination des PFAS ne peut pas reposer uniquement sur le remplacement des matériaux ; elle nécessite également des procédés de fabrication et de traitement de surface adaptés. Le laser, en tant qu’outil clé, permet d’appliquer, de faire fondre ou de structurer localement les couches fonctionnelles, évitant ainsi d’imposer une charge thermique inutile aux pièces sous-jacentes. Les entreprises n’ont pas besoin d’attendre une solution unique capable de couvrir toutes les applications des PFAS ; le Fraunhofer ILT et ses partenaires industriels développent des systèmes de couches sur mesure pour différentes pièces et exigences d’application, notamment des surfaces à faible frottement pour les paliers lisses, des revêtements anti-adhésifs et résistants à l’usure pour les rouleaux, ainsi que des systèmes d’étanchéité sans PFAS dans des environnements de lubrification à base d’eau.
