L'Institut Fraunhofer ILT développe des procédés basés sur le laser pour la fabrication de couches fonctionnelles sans PFAS sur des pièces métalliques, des composants de paliers lisses et des rouleaux en élastomère. Les projets RePEEK, EPOS, LEMBAS et pureWaterSeal montrent : la sortie des produits chimiques éternels ne peut pas se faire uniquement par des matériaux de remplacement appropriés. Les processus de fabrication sont tout aussi décisifs.
Les substances per- et polyfluoroalkyles, abrégées PFAS, sont fonctionnellement difficiles à surpasser : elles sont chimiquement et thermiquement extrêmement stables et c'est précisément pour cette raison qu'elles sont sous pression réglementaire. Cependant, les substances établies ne peuvent pas être simplement remplacées : elles réduisent la friction, protègent contre l'usure et la corrosion, empêchent les adhésions et garantissent les propriétés de fonctionnement d'urgence lorsque les films lubrifiants échouent. Ceux qui souhaitent les remplacer ont besoin non seulement d'un autre matériau, mais aussi d'un procédé qui permet d'appliquer ce matériau de manière fiable sur des composants très différents.
Dans les projets RePEEK, EPOS, LEMBAS et pureWaterSeal, l'Institut Fraunhofer pour la technologie des lasers ILT développe des procédés basés sur le laser pour des revêtements haute performance sans PFAS sur de grandes pièces métalliques, des paliers lisses, des joints et des rouleaux en élastomère sensibles. Selon l'application, le laser applique des couches, fait fondre localement des matériaux ou structure des surfaces de manière ciblée. Il apporte ainsi l'énergie de manière précise, spatialement limitée et seulement pendant une courte durée dans la pièce. Cela permet de traiter des matériaux de remplacement sans PFAS, que les procédés de four classiques ne peuvent réaliser qu'avec une consommation d'énergie élevée ou pour lesquels la chaleur nécessaire pourrait endommager la pièce sous-jacente.
Le matériau à lui seul ne résout pas le problème.
«Le souhait d'alternatives sans PFAS semble d'abord simple : une substance critique doit disparaître, une autre doit prendre sa place », déclare le Dr Samuel Moritz Fink, responsable du groupe des procédés de couches minces au Fraunhofer ILT. « En pratique, cet échange est cependant beaucoup plus complexe. Les matériaux contenant des PFAS se trouvent souvent précisément là où les composants sont soumis aux charges les plus fortes. »
Les matériaux de remplacement doivent adhérer au métal, au plastique ou au caoutchouc, résister à des températures élevées, ne pas se détacher sous contrainte et pouvoir être appliqués de manière économique même sur de grandes pièces. « Un matériau comme le polyétheréthercétone, abrégé PEEK, est très intéressant d'un point de vue chimique et mécanique, mais n'atteint pas automatiquement toutes les propriétés du PTFE par exemple », explique Fink. PTFE signifie polytétrafluoroéthylène. « Le PEEK est plus rigide, plus coûteux et, selon l'application, plus difficile à traiter. Pour de nombreux composants industriels, il ne suffit donc pas de choisir une autre poudre, un autre film ou un autre plastique. »
Décisif est le procédé. Comment le matériau de remplacement est-il appliqué à la surface ? Comment se lie-t-il avec le composant ? Comment peut-on éviter qu'un matériau sensible à la température ne soit endommagé en dessous ?
«Nous ne considérons pas les alternatives aux PFAS comme une simple question de matériau», explique le Dr Christian Vedder, responsable du département de technologie de surface et d'enlèvement de forme au Fraunhofer ILT. «Notre recherche se concentre sur des procédés basés sur le laser, permettant de construire des systèmes de couches innovants de manière ciblée.» Les processus laser interviennent précisément là où un matériau de remplacement n'atteint pas complètement les propriétés requises. Ils structurent les surfaces, améliorent la connexion avec la pièce ou modifient localement les couches, sans chauffer fortement l'ensemble de la pièce.
RePEEK : Revêtements PEEK par procédé hybride
Dans le projet RePEEK, les experts en surfaces examinent comment appliquer des revêtements à base de PEEK sur des pièces métalliques fonctionnant dans des systèmes en mouvement et fortement sollicités. Les applications du secteur de la mécanique sont au centre des préoccupations : grands paliers lisses, joints, pistons et électrovannes.
La tâche devient particulièrement illustrée avec de grands paliers lisses, comme ceux que l'on trouve dans les éoliennes : un arbre tourne dans une coquille de palier revêtue, généralement avec des systèmes de revêtement contenant du PTFE. Comme son nom l'indique, RePEEK mise également sur le PEEK.
« Le PEEK est aujourd'hui souvent appliqué sous forme de film ou traité en poudre pour être ensuite assemblé thermiquement », déclare Samuel Fink. « Cela peut fonctionner pour de petites pièces. En revanche, pour des composants métalliques pesant des tonnes, cela devient complexe : l'ensemble du composant doit être placé dans un four, porté à haute température et ensuite refroidi lentement. » La consommation d'énergie est élevée, le processus prend du temps et, à la fin, beaucoup plus de matériau est chauffé que ce qui serait nécessaire pour le revêtement proprement dit.
Les chercheurs génèrent d'abord une couche métallique à l'aide d'un procédé de dépôt basé sur un laser. Cette surface est intentionnellement rugueuse et offre une prise au plastique. Ensuite, ils appliquent de la poudre de PEEK dans le même environnement de processus et la fondent localement. Le plastique s'ancre dans la surface métallique rugueuse ; ainsi, un composite est créé à partir d'une couche fonctionnelle métallique et d'une couche de finition à base de PEEK.
L'équipe a développé une technique de buse spéciale pour la poudre de PEEK et a déjà déposé un brevet pour le procédé. Une buse à cyclone ralentit fortement le flux de gaz, de sorte que la poudre frappe à faible vitesse au lieu de rebondir. Cela permet au processus d'utiliser plus de matériau, d'être mieux contrôlé et de fonctionner de manière plus efficace.
De grands paliers lisses dans les éoliennes fonctionnent encore souvent avec des systèmes de couches contenant du PTFE. Dans les projets RePEEK et EPOS, le Fraunhofer ILT développe des procédés basés sur le laser pour des revêtements PEEK robustes comme alternative sans PFAS.
EPOS : Couches PEEK multicouches pour grands roulements lisses
Des travaux supplémentaires sont déjà en cours pour RePEEK. Dans le projet EPOS, Delil Idris Demir du Fraunhofer ILT examine comment des couches à base de PEEK peuvent être appliquées de manière fiable sur des composants de paliers glissants de grande taille en plusieurs couches. L'application progressive doit permettre d'obtenir des épaisseurs de couche plus importantes sans avoir à chauffer complètement des pièces pesant des tonnes dans un four. ACS Coating Systems met à profit son expérience de longue date en matière de revêtements PEEK, en particulier pour de tels revêtements glissants. L'entreprise développe ces systèmes de revêtement depuis le milieu des années 1990 et fabrique aujourd'hui des revêtements d'une épaisseur allant de quelques micromètres à un millimètre. Le directeur général, Dr. Christoph Stecher, accompagne le projet en se concentrant sur la construction des couches, l'application industrielle et la production en série ultérieure.
La société Polymer Service GmbH Merseburg, abrégée PSM, examine et évalue les couches formées sous la direction de la Prof. Dr. Katrin Reincke. Les points d'intérêt incluent notamment la cristallinité, la structure du matériau et l'état thermique du PEEK, ainsi que les propriétés mécaniques et thermomécaniques. Ces données doivent aider à ajuster le processus laser et la construction de couches multiples de manière à ce que le revêtement adhère uniformément et résiste durablement aux contraintes dans le palier lisse. EPOS associe ainsi le développement de processus basé sur le laser du Fraunhofer ILT, l'expérience en revêtement industriel d'ACS et l'expertise en matériaux de PSM.
LEMBAS : Couches anti-adhésives pour rouleaux en élastomère sensibles
Le projet LEMBAS se concentre sur les rouleaux et les rouleaux en élastomère, comme ceux utilisés dans la fabrication de films, l'industrie de l'emballage, la production de papier et la technologie médicale. Les particules de la surface des rouleaux peuvent rapidement devenir un problème.
« Jusqu'à présent, les entreprises utilisent souvent des revêtements en silicone pour de telles applications », explique Adam El-Sarout, également membre du groupe des procédés de couches minces au Fraunhofer ILT. « Bien qu'ils offrent les propriétés anti-adhésives nécessaires, ils n'atteignent pas toujours la durabilité exigée par les processus modernes à grande vitesse. » Dans le cadre de LEMBAS, l'équipe développe en collaboration avec le spécialiste des revêtements Rhenotherm des procédés basés sur le laser, utilisant des polymères haute performance tels que le PEEK, le polyamide ou le polypropylène. Ces matériaux sont plus résistants à l'usure, chimiquement plus durables et plus durables que le silicone, et ne contiennent pas de PFAS.
« L'obstacle technique réside dans la fenêtre de température », révèle El-Sarout. « Les polymères haute performance nécessitent des températures élevées lors de leur fusion. Cependant, les élastomères comme l'EPDM ne supportent cette chaleur que de manière limitée. Si l'on chauffait complètement un rouleau en caoutchouc dans un four, le substrat subirait des dommages. » Le laser résout précisément ce problème : il génère la haute température uniquement localement et pendant une courte période dans le matériau de revêtement. Ainsi, la couche fonctionnelle fond, tandis que le composant élastomère en dessous reste thermiquement préservé.
Pour que la couche adhère durablement, les chercheurs développent en plus du matériau anti-adhésif une couche intermédiaire qui protège l'élastomère et renforce la connexion avec la couche supérieure. De plus, ils adaptent les propriétés optiques et rhéologiques des matériaux au processus laser et examinent des procédés appropriés pour l'application et le prétraitement au laser.
« Un matériau de remplacement doit non seulement remplir la fonction souhaitée, mais aussi s'adapter au composant, à la limite de température du substrat et au processus de production », déclare Vedder. Si cette étape réussit, le procédé combine plusieurs avantages : moins d'usure, moins de contaminations des produits, moins de nettoyants et de solvants, ainsi qu'une consommation d'énergie nettement inférieure à celle des procédés de four classiques.
pureWaterSeal : joints sans PFAS pour lubrifiants à base d'eau
Dans le projet pureWaterSeal, des chercheurs des instituts Fraunhofer pour la technologie laser ILT et pour la mécanique des matériaux IWM développent des joints durables qui fonctionnent sans PFAS et peuvent être utilisés avec des lubrifiants à base d'eau. Ainsi, l'équipe s'attaque simultanément à deux problèmes environnementaux : les PFAS s'accumulent durablement dans l'environnement, tandis que les lubrifiants à base d'huile polluent les sols et les cours d'eau.
Matthias Laermann, responsable de l'équipe de structuration de surfaces à l'institut Fraunhofer pour la technologie laser ILT, souligne : « Rien qu'en Allemagne, environ un million de tonnes de lubrifiants à base d'huile sont consommées chaque année. Un seul litre peut contaminer jusqu'à un million de litres d'eau souterraine. Les conséquences sont des sols pollués, des aliments contaminés et des écosystèmes détruits. Nous trouvons des solutions qui abordent ces défis ensemble. »
Des experts du Fraunhofer IMW ont développé pour cela des revêtements en carbone semblables à des diamants (Diamond-like carbon, DLC), conçus pour des composants en plastique sans PFAS. L'équipe du Fraunhofer ILT a ensuite structuré le revêtement avec le laser, réduisant ainsi les tensions internes et les contraintes mécaniques localement, sans compromettre la stabilité de l'ensemble de la couche. En même temps, la combinaison de revêtement et de structuration laser réduit la friction, augmente la résistance à l'usure et prolonge la durée de vie des joints.
Les premiers prototypes fonctionnent déjà dans des pompes de centrales géothermiques. En collaboration avec des partenaires industriels, les chercheurs adaptent maintenant les joints à d'autres domaines d'application, y compris des applications dans les voitures particulières, les hélices de navires, les éoliennes et les machines de récolte. Parallèlement, l'équipe prépare le transfert vers des installations plus grandes et des quantités industrielles.
Le laser rend le changement de matériau enfin praticable
Les différents projets au Fraunhofer ILT montrent que la sortie des PFAS n'est pas un simple changement de matériau, mais nécessite également des processus de fabrication et de surface appropriés. Le laser joue un rôle clé : il applique des matériaux localement, les fait fondre de manière ciblée ou structure des couches fonctionnelles, sans imposer de contraintes inutiles au composant sous-jacent.
Cela crée un nouveau champ d'action pour les entreprises. Elles n'ont pas besoin d'attendre une seule solution de remplacement qui couvre toutes les applications PFAS. Le Fraunhofer ILT développe en collaboration avec des partenaires industriels des systèmes de couches adaptés à différents composants et exigences : surfaces à faible friction pour les paliers lisses, couches anti-adhésives résistantes à l'usure pour les rouleaux, ainsi que des systèmes de joints sans PFAS pour les lubrifiants à base d'eau.
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