Technique de revêtement actuel pour les paliers lisses des éoliennes
Le revêtement laser est un procédé innovant permettant d'appliquer des couches résistantes à l'usure sur des surfaces métalliques. Dans les éoliennes, par exemple, on utilise de plus en plus souvent des paliers lisses à la place des roulements, notamment pour les grands arbres principaux (arbres de rotor principaux) et les pignons planétaires dans les réducteurs. Cette transition vise à améliorer l'efficacité énergétique et à réduire les coûts de maintenance. Les paliers lisses nécessitant des revêtements mous, le revêtement laser s'impose : il permet d'appliquer des couches de haute qualité directement sur des composants en acier – un facteur clé pour des composants éoliens durables et efficaces.
Mais qu'entend-on par revêtement laser ? Ce terme désigne l'application d'un revêtement métallique à l'aide d'un laser. Techniquement, il s'agit de soudage par dépôt laser, également appelé « laser cladding » – un procédé bien établi pour la fabrication ou la réparation de revêtements de très haute qualité.
Cas d'application typiques : arbres principaux et axes planétaires dans les éoliennes
Les éoliennes sont soumises à des charges extrêmes et à des contraintes continues. Les arbres principaux, qui transmettent la force des pales du rotor à la boîte de vitesses, et les axes planétaires, qui sont les tourillons sur lesquels tournent les roues planétaires dans la boîte de vitesses, doivent notamment résister à des forces élevées. Jusqu'à présent, ces composants étaient souvent équipés de roulements (par exemple, des roulements à rouleaux ou à billes). Les éoliennes modernes misent toutefois de plus en plus sur des solutions de paliers lisses afin de réduire les pertes par frottement et d'augmenter ainsi la durée de vie.
Pour passer aux paliers lisses, les surfaces de ces composants doivent être revêtues d'un métal tendre approprié. C'est précisément là qu'intervient le revêtement par laser. Les axes planétaires revêtus par laser dans les éoliennes de dernière génération en sont un exemple typique. Le revêtement laser permet d'appliquer une fine couche de matériau de palier lisse (tel que le bronze cuivre-étain ou le métal blanc) sur la surface en acier des axes ou des tourillons. Cette couche fait office de surface de palier lisse qui, combinée à un contre-palier adapté (par exemple un segment de coquille de palier), forme un palier lisse à faible frottement.
Le revêtement garantit ainsi d'importantes propriétés tribologiques : d'une part, il protège l'acier contre l'usure. D'autre part, il permet ce que l'on appelle des propriétés de fonctionnement en mode de secours, c'est-à-dire la capacité du palier à ne pas tomber immédiatement en panne en cas de coupure temporaire de l'huile de lubrification. Sans une telle couche de glissement souple, les appariements acier-sur-acier subiraient rapidement des dommages par grippage si le film lubrifiant venait à se rompre. Les alliages cuivre-étain (bronzes) ou les métaux blancs offrent ici d'excellentes propriétés de glissement et, grâce à leur surface souple, empêchent le grippage en fonctionnement d'urgence. Le revêtement laser de ces matériaux sur de grands arbres et boulons est donc la clé pour pouvoir utiliser de manière fiable des paliers lisses dans les éoliennes.
Avantages du revêtement laser par rapport au moulage et à la projection thermique
Le revêtement par laser (soudage par dépôt laser) offre de nombreux avantages techniques et économiques par rapport aux méthodes de revêtement traditionnelles telles que le moulage de coussinets ou la projection thermique.
- Une résistance de liaison supérieure : les couches appliquées au laser sont soudées par adhérence au matériau de base et atteignent une résistance d'adhérence nettement supérieure à celle des revêtements obtenus par moulage ou projection. En particulier par rapport à la projection thermique – qui n'assure qu'une adhérence mécanique des particules à la surface –, la liaison métallurgique obtenue par soudage par dépôt laser garantit des revêtements nettement plus durables et résistants.
- Intégrabilité dans les processus et haute précision : les installations de revêtement laser peuvent être intégrées dans une chaîne de production, car elles sont relativement compactes et ne nécessitent pas de zone de fonderie séparée. Les composants peuvent être traités directement avant ou après le revêtement sur la même installation, ce qui réduit les contraintes logistiques. Le laser applique l'énergie de manière très précise et localisée sur la pièce. Les zones environnantes ne sont ainsi pratiquement pas affectées. Cela permet de minimiser les déformations et d'obtenir la meilleure précision dimensionnelle possible pour le composant. De plus, les paramètres du laser sont contrôlables avec exactitude, ce qui garantit des épaisseurs de couche uniformes et des résultats reproductibles. Même les géométries complexes ou les zones difficiles d'accès peuvent être revêtues de manière uniforme grâce à un guidage optique multiaxial – bien mieux que ce qui serait possible avec des procédés conventionnels.
- Propriétés de fonctionnement en mode dégradé améliorées grâce à des matériaux contenant de l'étain et du cuivre : comme le revêtement laser permet d'appliquer pratiquement n'importe quel alliage, il est possible d'utiliser des bronzes pour paliers lisses ou des métaux blancs spécialement développés. Ces revêtements tendres à base de cuivre et d'étain confèrent au palier d'excellentes propriétés de fonctionnement en mode dégradé : le palier peut ainsi continuer à fonctionner pendant un certain temps sans subir de dommages graves, même en cas de lubrification insuffisante ou de panne d'huile temporaire.
- Réduction de la consommation de matériaux et d'énergie : le revêtement laser est extrêmement économe en ressources. Par rapport au moulage par centrifugation ou au moulage au four traditionnel des paliers, il permet d'économiser plus de 70 % des métaux non ferreux (métaux non ferreux), car seule l'épaisseur de couche nécessaire est appliquée, au lieu de couler une épaisse chemise en bronze. Parallèlement, la consommation d'énergie diminue d'environ 90 % par rapport au procédé de coulée, car le procédé laser ne fait fondre le matériau que localement et il n'est pas nécessaire de maintenir de grandes quantités de matière en fusion à température pendant une longue période. Globalement, le revêtement laser est donc nettement plus respectueux de l'environnement et plus économique à l'usage.
Technologie : le soudage par dépôt laser en action
Lors du revêtement laser (soudage par dépôt laser), un matériau métallique sous forme de poudre ou un fil est appliqué sous forme de couche solide sur un composant à l'aide d'un faisceau laser à haute intensité. Un faisceau laser focalisé génère alors un bain de fusion localisé à la surface de la pièce. Dans ce bain de fusion, le matériau d'apport se lie au matériau de base. Le métal liquide se solidifie en quelques millisecondes et forme un cordon de soudure dense, solidement fusionné au substrat. La juxtaposition légèrement décalée de ces cordons de soudure (bandes) et, le cas échéant, l'application de plusieurs couches permettent d'obtenir une couche homogène du diamètre souhaité.
Des lasers à diodes haute puissance sont généralement utilisés comme source d'énergie.
EMAG ELC 1500 LMD – Installation performante pour le revêtement laser
L'ELC 1500 LMD a été spécialement conçue pour revêtir efficacement au laser des pièces pesant jusqu'à 2 tonnes et mesurant jusqu'à 1,5 mètre de long. L'ELC 1500 LMD est ainsi idéale pour des composants tels que les arbres principaux ou les axes d'éoliennes, qui sont très grands et massifs. Grâce à un banc de machine renforcé et à une contre-poupée stable, même ces poids lourds peuvent être serrés avec précision et déplacés en toute sécurité pendant le revêtement.
L'ELC 1500 LMD utilise une technologie laser et d'entraînement de pointe. Son élément central est un système optique de traitement qui, commandé par jusqu'à quatre axes CN, positionne le faisceau laser avec une grande précision. Concrètement, cela signifie que le système optique peut se déplacer dans les directions X, Y et Z et que son angle peut également être réglé afin de suivre de manière optimale chaque point de la pièce. Ce mouvement multiaxial augmente considérablement la flexibilité : même les contours complexes ou les zones difficiles d'accès (par exemple, les surfaces intérieures de grandes cuvettes de roulement) peuvent ainsi être revêtues de manière fiable, car le faisceau peut toujours frapper sous le bon angle. La répétabilité du positionnement est extrêmement élevée : les écarts d'une couche à l'autre sont minimes, ce qui garantit des résultats constants.
L'ergonomie et l'intégration ont également été prises en compte pour l'ELC 1500 LMD. La machine dispose d'un espace de travail généreux, accessible par l'avant. Les composants de grande taille peuvent être facilement chargés et déchargés à l'aide d'une grue ou de dispositifs de levage (manipulateur). Les travaux de maintenance sur le laser ou l'optique sont facilités par la conception ouverte. Tous les composants nécessaires – de la source de rayonnement à l'aspiration des fumées et des particules – sont intégrés dans le concept de l'installation et peuvent être disposés de manière flexible. Cela signifie que la solution complète de revêtement laser provient d'un seul et même fournisseur et ne nécessite qu'un emplacement approprié dans l'atelier de production. Les systèmes de refroidissement du laser ainsi que les enceintes de protection font partie intégrante du système, garantissant ainsi sécurité et fiabilité.
En résumé, le revêtement laser permet d’obtenir une meilleure qualité d’assemblage, d’utiliser des matériaux de paliers performants, d’économiser des matériaux et de l’énergie, d’offrir des conditions de processus contrôlables avec précision sans effets secondaires thermiques importants et de se passer de fluides de refroidissement supplémentaires. Ces avantages en font une technologie extrêmement intéressante pour le revêtement de paliers lisses dans les applications éoliennes.
