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Traitements de surface : par voie sèche ou par voie humide ?

Date de publication
4 mars 2020
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Materia Nova, traitements de surface

Une trentaine d’experts de Materia Nova formulent des solutions innovantes adaptées à différents substrats pour des applications multiples.

Des innovations qui sont ensuite industrialisées et commercialisées par deux PME – ESIX et Ionics

Les technologies de traitements de surface croissent au fur et à mesure qu’explosent les exigences du monde industriel. Applications multiples à tous les stades du développement d’un objet matériel, ces technologies interviennent dès la méthode de fabrication jusqu’aux fonctions de l’objet fini.

Des applications qui couvrent (presque) tous les secteurs : la mécanique (lubrification des pièces), l’automobile (suppression des traitements au chrome VI, l’aide au démoulage des pneumatiques), le cosmétique et la bijouterie (l’esthétique durable), le bâtiment (vitres autonettoyantes), l’optique (nano polissage), la santé (revêtements bactéricides), le vernissage (à base de poudre, sans solvant, sans pulvérisation), les procédés de nettoyage sans solvant, le textile (traitements hydrophobes).

Objectifs pour l’industrie ? Mettre en œuvre des procédés plus innovants en termes de performances et de coûts, répondre aux enjeux environnementaux et de santé avec des solutions qui répondent au cahier des charges fonctionnel , améliorer les propriétés de service et/ou performances des matériaux par l’ajout de fonctionnalités innovantes à la surface des pièces (fonctionnalités parfois combinées), augmenter la durabilité des surfaces vis-à-vis des sollicitations de service (frottement, par exemple), reconvertir des produits en leur donnant une autre fonction et s’ouvrir ainsi à de nouveaux marchés.

Panorama des acteurs wallons qui peuvent soutenir vos démarches : cette semaine, Materia Nova.

Materia Nova, traitements de surfaceAujourd’hui, Materia Nova, c’est un noyau interne de près de 100 scientifiques reconnus et des collaborations étroites avec plus de 300 spécialistes externes qui génèrent des recettes de plus de 8 millions d’euros.

Grâce à son lien fort avec l’UMONS et ses start-up et filiales – IONICS et NANO4 – qui valident sur le plan industriel les résultats de la recherche appliquée, le centre de recherche montois couvre tous les degrés de maturité des produits (de l’idée (TRL1) aux produits à succès (TRL 9)).

Avec Ionics Group, AGC et Graux, Materia Nova a également développé la plateforme Walibeam, la première plateforme technologique industrielle « ouverte » consacrée à l’implantation ionique.

Materia Nova, traitements de surfaceDes revêtements fonctionnels multi-surfaces

Particularités de Materia Nova : alors qu’on a tendance à limiter les technologies de traitement de surface aux procédés de fabrication mécanique et donc au seul métal, le centre développe des revêtements fonctionnels (déposés par procédés d’implantation ionique et plasma (voie sèche) ou revêtements peintures,  sol-gel ou électrolytique (voie humide) en fonction de la complexité de la forme et de la propriété recherchée) sur tous types de surfaces : métal, verre, plastique, poudres ou autres.

« Autre particularité du centre, poursuit le Dr Mireille Poelman, R&D program manager chez Materia Nova, on développe nos propres formulations ». Le centre met au point divers revêtements fonctionnels avec des propriétés bien définies en fonction de l’application visée et de la demande de l’industriel : anticorrosion, anti-UV, antimicrobienne, alternative antifouling, …

Formulations pour peinture

Depuis la disparition du CoRI (Coatings Research Institute), Materia Nova est de plus en plus sollicité pour accompagner les industriels dans l’amélioration des formulations dans le domaine général des peintures (nouvelles résines, nouveaux additifs) afin de leur conférer des propriétés anti-encrassement, anti-feu et retardateurs de flammes, antifouling (anti mousse sur les toits).  Le centre de recherche montois dispose notamment d’une plateforme dédiée à la caractérisation des peintures : elle compte 7 experts et notamment des instruments de spectrométrie photoélectronique X (XPS) et de cristallographie aux rayons X (DRX).

Imaginons un industriel confronté, par exemple, à une dégradation rapide d’une peinture : « on va analyser le problème avec le client, explique Mireille Poelman, en s’appuyant sur nos technologies pour comprendre l’origine du problème et le résoudre ».

Une trentaine de chercheurs autour des traitements de surface : Sol-Gel et Plasma

1. Traitements par voie humide

Materia Nova, traitements de surfaceUn premier département, fort de 15 équivalents temps-plein (ETP) s’investit dans les dépôts par voie humide (sol gel, galvanoplastie, peintures).

« L’objectif de notre recherche est de développer des revêtements multifonctionnels durables et respectueux de l’environnement. De nouvelles propriétés sont apportées aux surfaces de nos clients par nos revêtements, en particulier les sol-gels : protection des métaux, auto-nettoyage, antibactérien, anti-UV, …. »

L’appellation Sol-Gel est une contraction des termes « solution-gélification ». C’est un procédé d’élaboration de matériaux permettant la synthèse d’hybrides organiques-céramiques (ou verres) , permettant de réaliser des revêtements de faible épaisseur (de l’ordre du micron). C’est un procédé qui s’effectue dans des conditions de chimie douce, à des températures inférieures à celles des voies classiques de synthèse. Ces conditions offrent également la possibilité d’associer des espèces organiques et minérales pour former de nouvelles familles de composés hybrides possédant des propriétés inédites.

Une méthode particulièrement bien adaptée à la réalisation de films et revêtements, par exemple pour un traitement de surface de verre, de métal ou de matières plastiques.

 

Une gamme de revêtements

Materia Nova, traitements de surfaceLes applications sont nombreuses : protection des métaux, fonctionnalisation des peintures,… Ces applications offrent des revêtements résistants à la griffe et à l’usure, à la corrosion, faciles à nettoyer, anti-traces de doigts et anti-graffitis, des films bioactifs et antibactériens, des surfaces esthétiques et qui ont l’avantage de s’appliquer sur tous types de matériaux (métaux, verres, matières naturelles ou synthétiques).

Ces solutions formulées par Materia Nova- en collaboration avec l’UMONS – peuvent ensuite être industrialisées et commercialisées par ESIX, une PME wallonne avec laquelle Materia Nova collabore étroitement.

Avantages : le procédé de mise en oeuvre du Sol-Gel est plus flexible et économe. Il s’effectue à des températures nettement plus basses que celles des voies classiques de synthèse du verre qui demandent beaucoup d’énergie et sont très polluantes. L’équipe de recherche a rendu cette technologie réticulable sous UV – le durcissement se réalise quasi instantanément lors d’une irradiation à la lumière ultraviolette – en seulement une minute et trente secondes.

2. Traitements par voie sèche.

Materia Nova, traitements de surfaceLe second département traitement de surfaces de Materia Nova – fort lui aussi d’une quinzaine de scientifiques dédiés – s’investit pour sa part dans les traitements de surface par voie sèche, c’est-à-dire par implantation ionique ou par plasma. (photo: ©R.Noviello )

Cette fois encore, le business model a été particulièrement réfléchi : au bout de la chaîne, la société IONICS commercialise une partie des solutions développées par Materia Nova.

IONICS développe et fournit des technologies et revêtements de surface pour le métal, le verre et d’autres substrats.

Ses 2 domaines d’expertise sont :

  • La galvanoplastie : traitement de surfaces métalliques par application de métaux précieux ou communs par procédé électrolytique ou chimique ;
  • Les traitements par plasma : recherche, développement et réalisation de traitement de surface à base de technologies plasma, ainsi que vente d’équipements.

 

Préparation de surface pour maximiser les performances d’un revêtement

La préparation de surface est une étape indispensable pour maximiser les performances d’un revêtement. La majorité des défauts de revêtement est liée à une préparation de surface inadéquate ou insuffisante.

Cette préparation permet, par un contrôle de l’état de surface, de maximiser les interactions entre le coating et le substrat. De nombreuses technologies existent pour préparer la surface, la plupart basées sur des traitements chimiques dont les compositions ont largement évolué au cours du temps notamment pour répondre aux contraintes environnementales ou de sécurité.

Les préparations par voie sèche offrent de nouvelles possibilités de traitement de hautes performances. Notamment les traitements par torches plasma atmosphérique qui permettent de modifier la surface d’un objet pour favoriser l’accroche d’un revêtement.

Ce procédé de mise en oeuvre est en outre respectueux de l’environnement en opérant sans solvant et présentant très peu de rejets.

Les traitements par torches plasma constituent un axe de développement stratégique pour Materia Nova en collaboration avec IONICS.

La torche plasma, un outil simple mais efficace

Materia Nova, traitements de surfaceLa torche plasma atmosphérique est un traitement puissant, localisé, compact et facile à utiliser.

Il peut être intégré dans un processus industriel de manière simple.

Il permet de nettoyer la surface en éliminant la pollution carbonée, de convertir la surface en oxyde métallique.

Utilisée en combinaison avec d’autres gaz ou précurseurs chimiques, ce type de torche permet également de fonctionnaliser les surfaces ou de déposer des couches minces comme le SiOx (oxyde de silicone)

 Métalliser des surfaces pour conférer au matériau des propriétés propres au métal déposé

Métalliser une surface consiste à lui appliquer un revêtement métallique homogène, uniforme, résistant et durablement adhérent. Le matériau métallisé est alors recouvert d’un film métallique dont l’épaisseur dépend notamment de l’objectif de performance visé et de la technique de métallisation.

D’une manière générale, la métallisation d’une surface est réalisée pour conférer au matériau traité des propriétés propres au métal déposé et/ou pour augmenter celles du substrat métallisé. Par exemple, il est possible de rendre électriquement conducteurs des matériaux isolants en les métallisant : la couche métallique déposée confère des propriétés de conduction électrique que l’isolant n’a pas nativement.

Jusqu’il y a peu, la métallisation des surfaces était réalisée par galvanisation à chaud (métallisation par immersion dans un bain de métal fondu comme le zinc) et dépôts électrolytiques (électro-zingage, nickelage, chromage, etc.). Toutefois, les contraintes environnementales et la diversité croissante des substrats sur lesquels des dépôts doivent être effectués (plastiques, composites) ont conduit Materia Nova et Ionics à développer de nouvelles technologies (dépôts plasma de composition innovante) afin d’accroître significativement les performances des matériaux ainsi traités en termes de résistance mécanique et corrosion.

Des alliages innovants pour remplacer le cadmium

Materia Nova a ainsi développé des dépôts d’alliages métalliques amorphes ou nano cristallins. Un alliage métallique doté d’une structure amorphe (désordonnée), appelé aussi « verre métallique » est un alliage intermétallique solide doté d’une structure amorphe (désordonnée) plutôt que cristalline. Ces combinaisons confèrent au matériau une association unique de propriétés mécaniques, électriques, magnétiques et de résistance à la corrosion avec différentes possibilités de mise en oeuvre.

Un exemple : les alliages d’aluminium et en particulier les alliages d’aluminium et de manganèse ont un potentiel de corrosion proche de celui du cadmium. Et de manière analogue au cadmium, ils peuvent offrir une protection cathodique aux aciers et alliages d’aluminium et présentent un faible coefficient de friction.

Ces alliages ont donc été choisis comme substitut du cadmium, un métal extrêmement toxique, même à faibles concentrations. Il a tendance à s’accumuler dans les organismes vivants et les écosystèmes.

Toutefois, le dépôt de ces alliages par galvanoplastie est extrêmement compliqué. Par contre, la pulvérisation magnétron (PVD sous vide) permet de déposer un ou plusieurs métaux avec un contrôle précis des épaisseurs et de la composition de l’alliage.

Le dépôt physique en phase vapeur (ou PVD pour Physical Vapor Deposition) est un traitement de surface sous vide qui permet de déposer des films minces de quelques microns d’épaisseur et qui trouve de nombreuses applications dans l’industrie (diminution du coefficient de frottement, protection contre la corrosion ou les métaux liquides, …).

 

Traitement des poudres pour additive manufacturing

Materia Nova, traitements de surfaceLe marché de la fabrication additive ne cesse d’augmenter depuis plusieurs années. En 2018, le cabinet d’études américain SmarTech Publishing constatait une hausse du chiffre d’affaires de l’ordre de 18% par rapport à l’année précédente (tous marchés confondus : vente de machine, logiciels, matériaux et services).

Néanmoins, si la fabrication additive s’impose de plus en plus dans nos industries, le post-traitement des pièces fabriquées reste encore plus que nécessaire pour obtenir un aspect de finition acceptable.

L’état de surface des pièces brutes présentant un nombre non négligeable de particules non fondues joue notamment un rôle sur les propriétés mécaniques de la pièce finale. De nombreuses techniques de post-traitement sont actuellement proposées.

Cependant le travail en amont sur la poudre utilisée ne pourrait-il pas, si ce n’est s’affranchir des étapes de post-traitement, au moins en diminuer le nombre ou en faciliter la mise en œuvre ? C’est à travers cette réflexion qu’Ionics, avec le support de Materia Nova, a développé un équipement de revêtement de poudre dans le but de modifier celle-ci et d’en améliorer le procédé de mise en oeuvre ainsi que l’aspect de finition des pièces brutes.

La technologie PLAMECO développée par Ionics en collaboration avec le centre de recherche Materia Nova consiste en un dépôt plasma par pulvérisation cathodique magnétron sous vide capable de revêtir des poudres (de taille allant du micron à plusieurs millimètres) ou de petites pièces en vrac grâce à un système de tonneau rotatif.

Cette technologie dite « froide » a pour avantage de pouvoir traiter n’importe quel type de substrat ne pouvant pas s’échauffer à plus de 50°C (métaux, polymères, céramiques). Elle permet en outre de déposer des matériaux de compositions chimiques très variées comme les métaux et leurs composés céramiques (oxydes, nitrures, carbures…) mais aussi des polymères.

Les dépôts réalisés vont de quelques dizaines de nanomètres jusqu’au micromètre. La composition du dépôt et donc de la poudre après traitement peut être réglée de manière fine afin d’ajuster la composition de la poudre au désir du consommateur final. De plus, s’il est possible de réaliser des nanostructures afin d’optimiser un dépôt recouvrant parfaitement la surface spécifique des particules, il est également possible de réaliser un dépôt recouvrant parfaitement la surface de chaque grain constituant la poudre (formation d’un « core-shell).

Les applications de cette technologie sont diverses dans les domaines tels que les colles techniques (conductrices par exemple), la catalyse, les matériaux composites, le frittage, la projection thermique, etc. ainsi évidemment qu’en fabrication additive.


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