Les États-Unis développent un procédé hybride d'électroformage et d'impression 3D pour la fabrication de composants critiques des réacteurs nucléaires avancés

Le 24 août, heure locale, le Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du Département de l'Énergie des États-Unis a annoncé que ses scientifiques développent, en collaboration avec la société AJ Tuck (AJ Tuck), un procédé de fabrication hybride combinant l'impression 3D et l'électroformage pour produire des conteneurs de pressage isostatique à chaud complexes et étanches destinés au procédé métallurgique de pressage isostatique à chaud des poudres. Ce procédé vise la fabrication de composants métalliques critiques pour les réacteurs nucléaires avancés ainsi que pour d'autres applications énergétiques et de défense, avec pour objectif de raccourcir les chaînes de production et de réduire la dépendance aux chaînes d'approvisionnement traditionnelles de forgeage et de fonderie de grande taille.

Un conteneur de pressage isostatique à chaud est un récipient scellé utilisé pour comprimer des poudres métalliques en composants métalliques hautes performances sous des conditions de température et de pression élevées. Les conteneurs de pressage isostatique à chaud traditionnels nécessitent généralement de multiples étapes d'usinage, de soudage et d'assemblage, ce qui rend la fabrication de structures complexes particulièrement difficile. Le nouveau procédé utilise la fabrication additive polymère pour préparer un noyau de forme, puis dépose une enveloppe métallique à la surface du noyau par électroformage, créant ainsi un conteneur métallique capable de reproduire avec précision des géométries complexes.

Selon les informations fournies, le processus commence par l'impression 3D d'un noyau de forme en polymère qui détermine la forme finale de la pièce ; le noyau est ensuite placé dans un bac de solution électrolytique où un courant électrique provoque le dépôt de nickel à la surface, formant une coque métallique uniforme d'environ 2 à 3 millimètres d'épaisseur ; le noyau est ensuite retiré pour obtenir une structure creuse, qui est remplie de poudre métallique et scellée, puis traitée par pressage isostatique à chaud pour former une pièce métallique pleine.

Vanshika Singh, chercheuse assistante au Laboratoire national d'Oak Ridge, a déclaré que ce projet démontre que la technologie d'électroformage peut produire avec succès des conteneurs de pressage isostatique à chaud étanches destinés aux applications nucléaires avancées, contribuant ainsi à simplifier le processus de fabrication de ces composants sur le territoire américain et à atténuer les pressions sur la chaîne d'approvisionnement des systèmes nucléaires avancés.

Avec la demande croissante de petits réacteurs modulaires avancés, la capacité de fabrication de composants métalliques complexes et hautes performances suscite une attention accrue. Selon les données disponibles, le nucléaire représente environ 20 % de l'approvisionnement en électricité des États-Unis, mais la capacité nationale de forgeage de grande taille est limitée, ce qui contraint la fabrication de grands composants tels que les cuves sous pression des réacteurs, les vannes et les systèmes de turbines. Le Laboratoire national d'Oak Ridge estime que ce procédé hybride peut être utilisé pour la fabrication de grands composants métalliques de haute précision, particulièrement adapté aux réacteurs nucléaires avancés et aux infrastructures énergétiques.

Amy Jackson, ingénieure mécanique au Laboratoire national d'Oak Ridge, a indiqué que l'électroformage permet de fabriquer rapidement et avec une grande précision des structures fines, tout en évitant certaines difficultés rencontrées dans les méthodes de fabrication traditionnelles. Étant donné que ce procédé est principalement limité par l'épaisseur de la couche de dépôt métallique plutôt que par la taille des pièces individuelles, il offre un potentiel d'extension de l'échelle de production et de fabrication de plusieurs composants en une seule opération.

Lors de la première phase du projet, l'équipe a fabriqué par électroformage cinq conteneurs de pressage isostatique à chaud cylindriques étanches, chacun mesurant 6 pouces de hauteur et 4 pouces de diamètre. Les chercheurs ont également développé une conception de port intégré, éliminant le tube de process soudé séparément, un point de défaillance potentiel courant dans le processus de pressage isostatique à chaud, améliorant ainsi la stabilité du procédé. Les images du projet montrent que l'équipe a utilisé les conteneurs de pressage isostatique à chaud étanches fabriqués lors de la première phase pour produire une pièce en nickel pleine pesant 15,7 livres.

Actuellement, le projet est entré dans sa deuxième phase, l'équipe de recherche prévoyant d'appliquer ce procédé à la fabrication de composants à géométries plus complexes, notamment des roues de turbine utilisées pour propulser les fluides dans les pompes et les systèmes de turbine, ou des vannes liées aux systèmes nucléaires. Les divulgations d'invention et les demandes de brevet provisoires ont déjà été déposées.