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Retour sur le projet OPIDUM

Retenu au FUI 16 et terminé en juin 2017

Pour faire face au comportement en frottement problématique (haut frottement, broutage) des élastomères, une des solutions mises en œuvre industriellement consiste à leur appliquer des films type DLC (Diamond Like Carbon). Ces revêtements épais de quelques micromètres présentent à la fois un bas coefficient de frottement et une bonne tenue à l’usure pour certaines applications. Ils apparaissent comme un bon moyen d’éliminer le stick slip des matériaux élastomères. Les travaux de R&D menés au cours du projet OPIDUM devaient permettre d’optimiser l’adhérence de ces films et de les fiabiliser sur un maximum de matériaux élastomères par action 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 été soutenu par le Fonds unique interministériel (FUI) dans le cadre de son16ème appel à projet. 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. En effet, les élastomères présentent un coefficient de frottement élevé et irrégulier avec la plupart des matériaux rigides, et 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 est parmi ceux amenant les coefficients de frottement les plus faibles (niveau de performance variable en fonction des applications). La difficulté est que 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 challenge technique. Les expériences de revêtement type PACVD 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 la fiabiliser sur un maximum de matériaux élastomères par action sur la formulation, les éventuels additifs et le procédé de dépôt.
Des essais à l’échelle laboratoire ainsi que sur banc industriel ont permis d’évaluer la performance des films



Les partenaires du projet

  • LRCCP, Centre technique : maîtrise de la formulation des substrats élastomères
  • IREIS, ETI : 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


1. Les travaux menés


Le projet a été organisé en 4 lots pour une durée de 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 ».


Lot 1 - Recherche matériaux


Cette étape se décompose différentes étapes :

  • 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.



 


 


 


Figure 1 : le DLC à mi-chemin entre graphite et diamant


Lots 2 - 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.


 
Figure 2 : Cartographie des espèces en surface d’un matériau FKM (image Science et Surface)


 
Figure 3 : éprouvettes élastomères après essai de frottement sur 162m (IREIS). A gauche EPDM formulé par le LRCCP non revêtu, au centre le même matériau revêtu DLC version intermédiaire et à droite le même EPDM revêtu de DLC optimisé.


Lot 3 - Validation industrielle


Des essais pour valider à l’échelle industrielle le process développé ont eu lieu chez IREIS, EFJM, Zodiac Aero Electric, ASCO-JOUCOMATIC et au CETIM.
Que ce soit pour la fonction étanchéité de bagues d’articulation, un piston, des joints ou des racleurs, les résultats obtenus se sont avérés mitigés. L’amélioration vis-à-vis de la réduction de l’effort résistant consécutif au frottement n’était pas systématiquement observée. D’un point de vu étanchéité les performances semblent inchangées.



Figure 4 : banc d’essai de distributeur pneumatique (ASCO à gauche) d’essuyage (ZODIAC à droite)


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



Figure 5 : essais de frottement réalisé par le Cetim sur joints rotatifs HNBR. Les essais en eau montrent une diminution du couple par rapport au matériau non traité (en bleu).



2. Les premières retombées du projet


En termes de 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.



En termes de 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.


En termes d’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)


En termes de valorisation


2 conférences LRCCP, 1 conférence IREIS
Fiche d’application didactique chez Science et Surface



3. Perspectives


Aujourd’hui, la perspective est d’aller implanter la technologie sur des marchés de grand volume (type automobile). Ces marchés 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.

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