En raison des exigences réglementaires croissantes, les fournisseurs de technologies de production sont confrontés dans le monde entier au défi d'intégrer des matériaux performants et respectueux de l'environnement. Les solutions déjà existantes seront présentées à l'EMO Hannover 2025, le salon mondial de la technologie de production, du 22 au 26 septembre. Les mousses métalliques et les substituts aux substances per- et polyfluorées (PFAS) sont particulièrement mises en avant.
Les mousses métalliques aident à concevoir des machines plus efficaces, plus légères et en même temps plus stables. Le matériau hautement poreux présente, tout comme ses homologues naturels tels que les os ou le bois, une structure cellulaire capable d'absorber l'énergie sous forme de vibrations, de chocs ou de sons.
Comme la cuisson du pain
La mousse d'aluminium peut être fabriquée par un procédé qui se déroule en principe de manière similaire à la cuisson du pain. On prend des poudres, des agents gonflants et de la chaleur, et la mousse d'aluminium est prête. En détail, la fabrication de ce matériau high-tech est en réalité un peu plus complexe. « Pour la fabrication de mousses d'aluminium, une poudre d'alliage d'aluminium et une poudre d'agent gonflant sont mélangées, généralement précompactées par pressage axial, puis comprimées par extrusion en brins mousseux », explique Carsten Lies, responsable du département de construction légère fonctionnelle à l'Institut Fraunhofer pour les machines-outils et la technologie de formage (IWU) à Chemnitz. « Pour la fabrication de sandwiches en mousse d'aluminium, des brins d'aluminium mousseux découpés sont placés entre deux plaques supérieures positionnées à distance l'une de l'autre », décrit l'ingénieur le processus de production.
Lors du traitement thermique suivant, l'aluminium mousseux se dilate de plusieurs fois. La mousse résultante se lie fermement aux deux plaques supérieures pour former un sandwich. Après refroidissement, le sandwich est découpé aux dimensions finales. « Les mousses métalliques, en particulier les mousses d'aluminium, sont principalement utilisées comme matériau de cœur dans les sandwiches », explique Lies. Leurs plaques supérieures sont généralement en acier ou en aluminium. « Les couches supérieures supportent les charges appliquées, le cœur maintient les plaques à distance constante », explique le chercheur de Fraunhofer les propriétés particulières de ce matériau high-tech. La liaison entre les couches supérieures et le cœur se fait généralement par un contact métallique.
Aéré, léger et rigide : Sandwich avec remplissage en mousse
« Les sandwiches présentent une très grande rigidité en flexion selon leur conception. Cet effet est utilisé pour concevoir des ensembles plus légers tout en maintenant ou même en améliorant la rigidité de l'ensemble », dit Lies. Ils remplacent des éléments massifs de l'ensemble conventionnel. Selon le critère d'optimisation, selon le chercheur, il est possible d'obtenir soit des économies de poids significatives avec la même rigidité (jusqu'à environ 30 pour cent), soit des augmentations significatives de la rigidité avec un poids constant. Les avantages concrets de l'utilisation de la mousse métallique dans la machine en termes d'efficacité et de durabilité sont donc, selon Lies, « une atténuation nettement améliorée grâce au cœur en mousse et une réduction significative du poids grâce à l'utilisation de sandwiches ».
De plus, il est positif pour le bilan environnemental que les mousses métalliques puissent être recyclées sans problème. « Comme aucun adhésif n'est utilisé pour la fabrication des sandwiches, le matériau peut être intégré dans les cycles existants pour le traitement des déchets métalliques en acier et en aluminium », dit le chercheur de Chemnitz.
Précisément fabriqué par impression 3D
Les composants en mousse métallique – ou plus précisément les composants en matériaux hybrides poreux (HyPo) – peuvent également être fabriqués par impression 3D. L'avantage de la mousse métallique fabriquée de manière additive : les chambres à air peuvent être disposées avec précision. Les composants ainsi produits peuvent être optimisés pour des cas d'application spécifiques, car le réglage graduel de la structure des pores à l'intérieur du composant offre plus d'options que des bulles d'air dans le métal, comme celles formées par la mousse à gaz. Ainsi, des composants de machines peuvent être fabriqués avec précision et avec des propriétés exactement définies dans l'imprimante 3D.
« Un réglage graduel de la structure des pores et des profils de propriétés est difficile, voire impossible, à réaliser dans un matériau fabriqué de manière monolithique, car soit le processus de fabrication, soit le traitement ultérieur jusqu'à la géométrie finale du composant ne correspond pas aux conditions d'exigence finales », explique Thomas Hassel de l'Institut des matériaux de l'Université Leibniz de Hanovre (LUH). La fabrication additive permet, souligne l'ingénieur diplômé, une « production proche de la forme finale » des composants tout en intégrant la gradation aux endroits appropriés de manière à ce qu'elle soit précisément positionnée dans le profil d'exigence.
Quelles applications concrètes existent dans la construction de machines-outils et comment ce matériau innovant peut-il aider à améliorer l'efficacité et la durabilité dans l'usine, est l'objet de la recherche. L'accent est mis sur les composants d'une machine-outil (changeur d'outils, porte-outils, chariot de broche) en ce qui concerne leur rigidité, leur atténuation, leur comportement thermoélastique, leur déséquilibre ainsi que leur dureté et leur qualité de surface, explique Hassel. Grâce à l'implémentation des composants HyPo, par exemple dans une fraiseuse, il est étudié quels avantages découlent des composants gradués. « Le comportement opérationnel pendant le traitement doit être analysé, car l'usinage par fraisage englobe une large gamme de cas de charge différents », dit Hassel. « Cela permet de déterminer l'influence du composant HyPo sur les propriétés mécaniques et thermiques de la machine et d'améliorer considérablement la performance de ces machines. »
Substitut aux produits chimiques éternels
Plus de durabilité grâce à des matériaux légers est l'une des nombreuses approches pour améliorer le bilan environnemental dans la production industrielle. Parallèlement, des alternatives respectueuses de l'environnement aux soi-disant produits chimiques éternels sont de plus en plus mises en avant. Les substances per- et polyfluorées (PFAS), qui sont utilisées dans la production notamment là où des conditions extrêmes prévalent : températures élevées, forte usure ou conditions chimiques agressives, sont au centre des préoccupations. Les PFAS se retrouvent notamment dans des joints, des tuyaux ou des vannes.
La possibilité d'une substitution des PFAS doit être évaluée "individuellement selon le cas d'application et ne peut pas être répondue de manière générale", déclare Frank Schönberger, responsable du département Synthèse et Formulation à l'Institut Fraunhofer pour la résistance des matériaux et la fiabilité des systèmes LBF à Darmstadt. "Un remplacement 1:1 des fluoropolymères n'est généralement pas possible, mais dépend toujours des exigences individuelles de chaque application."
Il existe des cas où un fluoropolymère peut être remplacé par un autre polymère haute performance (comme le PEEK, le PEI ou le PPS) selon les exigences, par exemple lorsque les exigences de température et de milieu sont modérées ou dans le domaine des composés tribologiques. "Mais il existe aussi des domaines d'application où les exigences complexes – à ce jour – ne peuvent être satisfaites par aucun autre matériau", précise le chercheur. "Les fluoropolymères possèdent une résistance chimique largement universelle et ont une haute résistance à la température. Dans les applications où cela est requis, comme dans les pompes ou les installations qui doivent résister à différents milieux dans différentes conditions, les fluoropolymères ne peuvent jusqu'à présent pas être remplacés", résume Schönberger et ajoute : "Des opportunités peuvent se présenter dans des applications où le plein potentiel des fluoropolymères n'est pas nécessaire et dans des situations où, par exemple, une refonte est possible."
La substitution des PFAS est également pertinente pour les États-Unis
Selon Schönberger, le remplacement des PFAS est également pertinent pour les marchés en dehors de l'Europe, notamment aux États-Unis. De plus, il existe aux États-Unis des réglementations parfois dépendantes de chaque État. Cela montre également : Une plus grande durabilité dans la technique de production est un défi mondial auquel il faut répondre dans les usines de toutes les nations industrialisées.
Auteur : Daniel Schauber
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