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Projet abouti

Matériaux

OPIDUM : OPtimisation des Interfaces DLC élastomère pour Usage Mécanique

Elastopôle, Plastipolis, ViaMéca, 

Eprouvettes élastomères après essai de frottement sur 162m (IREIS). En haut EPDM formulé par le LRCCP non revêtu, en bas le même EPDM revêtu de DLC optimisé.

Optimiser l’adhérence des films type DLC (Diamond Like Carbon) et les fiabiliser sur un maximum de matériaux élastomères en agissant sur la formulation, les additifs éventuels et le procédé de dépôt.

Labellisé par le pôle de compétitivité Elastopôle et co-labellisé par les pôles ViaMéca et Plastipolis, le projet OPIDUM a bénéficié d’une subvention dans le cadre du 16ème appel à projets du Fond Unique Interministériel (FUI). Le projet a été clôturé lors de la réunion du 13 juin 2017 à Orléans.

Le contexte

Pour la plupart des applications industrielles, le frottement est l’un des principaux mécanismes de dégradation des élastomères en contact avec une « contre pièce » rigide. Les élastomères présentent en effet un coefficient de frottement élevé et irrégulier avec la plupart des matériaux rigides. Les produits concernés sont nombreux : joints dynamiques, joints à lèvres, bagues d’étanchéité, racleurs d’essuie-glaces, etc.

Parmi les différents traitements de surface permettant de diminuer le coefficient de frottement des élastomères, le dépôt de film type DLC (Diamond Like Carbon) par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) est l'un de ceux conduisant aux coefficients de frottement les plus faibles (niveau de performance variable en fonction des applications). Or, si les films type DLC sont très bien maîtrisés sur les matériaux métalliques, réaliser un film performant sur un matériau mou, extrêmement déformable et de composition pas toujours connue avec précision est un défi technique. Les expériences de revêtement type PECVD sur élastomère antérieures à OPIDUM sont très diverses.

L’objectif du projet

L’objectif du projet OPIDUM était d’optimiser l’adhérence et les performances du film DLC et de les fiabiliser sur un maximum de matériaux élastomères en agissant sur la formulation, les éventuels additifs et le procédé de dépôt. Des essais à l’échelle laboratoire et sur banc industriel ont permis d’évaluer la performance des films.

Les partenaires du projet

  • LRCCP (Centre technique : Laboratoire de Recherches et de Contrôle du Caoutchouc et des Plastiques) : maîtrise de la formulation des substrats élastomères
  • IREIS (ETI : Institut de recherches en ingénierie des surfaces) : optimisation du dépôt DLC
  • Science et Surface (PME) : panel complet de techniques d’analyse de surfaces multi-échelles
  • CETIM (Centre technique) : essais liés à l’étanchéité dans différentes configurations, topographie de surface
  • Zodiac Aero Electric (Grand Groupe) : conception de racleurs pour essuie-glace en milieu aéronautique
  • ASCO-JOUCOMATIC (Grand Groupe) : conception de vérins et distributeurs pneumatiques
  • EFJM (PME) : nouvelle gamme de joints rotatifs ou de translation de moyenne et grande diffusion

Des travaux menés en 4 lots sur 42 mois

  • Etat des lieux

Cette étape a permis de quantifier l’existant et de préciser la liste des matériaux élastomères à étudier, ainsi que les paramètres d’élaboration à prendre en compte. Cette étape a abouti  à l’établissement d’un plan d’expérience pour la suite du projet notamment la définition d’une formulation de référence d’EPDM « modèle ».

  • Recherche matériaux
    • Déformulation des différents élastomères afin d’identifier les espèces pouvant nuire à l’adhérence du film,
    • Analyse fine de surface,
    • Formulation de plaques et joints à composition maîtrisée,
    • Séquençage procédé de dépôt,
    • Réalisation de dépôts plus ou moins simplifiés.

    Plusieurs pistes ont été identifiées à l’issue de ces travaux pour faire évoluer le procédé de dépôt et gagner au niveau des coûts via la simplification.

    • Caractérisation
      • Une première série d’essais mécaniques en laboratoire a été réalisée sur un banc d’essai en fatigue, qui a permis de qualifier l’état de surface et de quantifier les fissures après flexion. Des essais de frottement et tribologiques sur différents élastomères ont ensuite été menés pour évaluer l’effort de frottement obtenu sur différents grades d’élastomères ainsi que l’usure du revêtement.
      • Une adhérence satisfaisante a été obtenue sur l’ensemble des matériaux.
      • Sur ces essais, des améliorations du comportement en frottement ont été observées sur l’ensemble des matériaux étudiés (EPDM, NBR, FKM, VMQ). Toutefois l’évaluation sur la silicone reste délicate à cause de la faible rigidité de ce matériau.
    • Validation industrielle

    La tendance qui semble se dessiner est que le revêtement est intéressant sur des applications faiblement ou moyennement chargées, notamment dans des conditions d‘utilisations faiblement lubrifiées à sec ou en eau par exemple. En présence de graisse ou d'huile, le film DLC n’apporte pas d’amélioration, sauf si celle-ci venait à manquer, les phénomènes de lubrification naturelle (portance hydrodynamique) étant dans ce cas prépondérants.

    A noter que pour des raisons de timing, le projet n'a pas eu le temps de s’intéresser aux portées / pistes de frottement des joints. Or, il est probable qu’une évolution soit nécessaire afin de profiter pleinement des avantages apportés par le film DLC (typologie d’état de surface, dureté…). On a par exemple noté que, sur certains joints hydrauliques, le rodage de la lèvre en fin d’essai est de 100 fois supérieur à l’épaisseur de film déposée.

    Les premières retombées du projet

    • Recherche matériaux : ce projet a permis à un acteur du dépôt sous vide de se familiariser avec la culture des matériaux élastomères, très différente de celle des pièces métalliques. Avec une formulation maîtrisée, une adhérence correcte a été obtenue sur l’ensemble des élastomères étudiés. Le mode d’usure des films, qui n’est pas instinctif, a été mis en évidence.
    • Marchés : le projet a permis l’établissement de plusieurs marchés faible volume au sein du consortium. Les différents industriels impliqués dans le projet travaillent sur des petites et moyennes séries de pièces. Les volumes de marché actuels sont faibles et s’accommodent d’une production de traitement à façon relativement artisanale. Explorer la faisabilité de revêtements sur des marchés grand volume (type automobile) permettra de réaliser des gains de productivité (automatisation, optimisation des process) et de pouvoir capter des marchés de taille intermédiaire.
    • Emplois (pendant le projet et à l’issue du projet) :1 ETP niveau ingénieur chez Science et Surface, 1/5 ETP niveau ingénieur chez EFJM, 1 ETP chez IREIS, pérennisé avec les marchés actuels, plus de créations selon l’évolution des marchés (emplois en production, en méthodes, en support technique)
    • Conférences, colloques : 2 conférences LRCCP, 1 conférence IREIS,
    • Publications : Fiche d’application didactique chez Science et Surface.
    • Perspectives : L'objectif est aujourd’hui d'implanter la technologie sur des marchés de grand volume (type automobile), qui permettront de justifier les investissements nécessaires pour améliorer la productivité du procédé. Les perspectives en terme d’emplois vont au-delà des ateliers de production, car il faudra construire les enceintes de traitement et l’environnement (systèmes de manutention, de convoyage, de contrôle…), les suivre et les reconditionner au gré des évolutions des pièces à traiter.

    Sites Internet

    Les pôles de compétitivité
    DATAR et Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie

    http://competitivite.gouv.fr/index.php?id=576