Surmonter les pénuries de matériaux : les simulations et les méthodes d'essai avancées mettent en évidence des alternatives aux matériaux conventionnels
Le Fraunhofer IWS met au point des solutions innovantes en matière de matériaux et de procédés pour relever les défis industriels dans un contexte de pénurie de ressources
La raréfaction des matières premières pose de graves problèmes aux industries mondiales. Le recyclage et l'utilisation accrue de matières premières secondaires sont devenus essentiels pour de nombreuses entreprises. Parallèlement, la hausse des prix des matières premières et les incertitudes qui pèsent sur les chaînes d'approvisionnement incitent à poursuivre la recherche sur les matériaux. L'Institut Fraunhofer pour la technologie des matériaux et des faisceaux (IWS) de Dresde participe désormais à un nouveau projet phare Fraunhofer, qui vise à garantir l'approvisionnement en matériaux structurellement et fonctionnellement sûrs, en particulier pour la transition énergétique.
La demande de matériaux critiques tels que le lithium, le cobalt et les terres rares est en hausse. Ces ressources sont indispensables pour les batteries, l'électronique et les systèmes d'énergie renouvelable. Comme ces matériaux ne se trouvent souvent que dans quelques pays, la dépendance et la vulnérabilité des chaînes d'approvisionnement augmentent. Les tensions géopolitiques et les restrictions commerciales ne font qu'aggraver la situation. Dans ce contexte, l'économie circulaire gagne en importance. Même les matières premières conventionnelles telles que l'aluminium sont de plus en plus touchées par les pénuries. Jusqu'à récemment, l'aluminium était considéré comme relativement abondant. "Cependant, il devient de plus en plus difficile à obtenir", explique le professeur Martina Zimmermann, responsable du département de caractérisation et d'essai des matériaux au Fraunhofer IWS. La production d'aluminium primaire - l'aluminium dérivé directement du minerai - a régulièrement diminué en Allemagne. Cette évolution oblige les industries à s'appuyer davantage sur les matières premières secondaires produites par le recyclage de métaux déjà utilisés. Ce n'est pas seulement écologique, c'est aussi économiquement intéressant. L'utilisation de matières premières secondaires permet d'économiser de l'énergie et de réduire les émissions deCO2.
Mais il y a un problème : une contamination peut se produire pendant le processus de recyclage. La cause en est la présence de substances étrangères telles que des peintures, des plastiques ou d'autres métaux dans le matériau recyclé. Cela complique le traitement et réduit la qualité des matières premières secondaires. Quel est donc l'impact du recyclage répété ? "Un autre aspect important et un défi pour les industries est la variabilité des lots", ajoute le professeur Zimmermann. Ce problème est bien connu, par exemple, avec les feuilles d'acier inoxydable utilisées pour produire des plaques bipolaires pour les batteries et les piles à combustible. L'acier inoxydable contient du nickel, mais en cas de pénurie de nickel, seule la quantité minimale est ajoutée. Cela affecte la formabilité et la résistance à la corrosion de la tôle.
Essai rapide des matériaux grâce à la combinaison de la simulation et de l'expérimentation
L'objectif est de déterminer la composition et les propriétés des matériaux de manière rapide, précise et rentable, afin de pouvoir adapter les processus industriels en temps voulu. C'est là que le projet phare Fraunhofer "Digital Ecosystem for a Resilient and Sustainable Supply of Functionally Secure Materials" (Écosystème numérique pour un approvisionnement résilient et durable en matériaux fonctionnellement sûrs), ou "ORCHESTER" en abrégé, entre en jeu. Depuis début 2024, six instituts Fraunhofer, dirigés par l'Institut Fraunhofer de mécanique des matériaux IWM, travaillent sur cette initiative. Le Fraunhofer IWS est l'un d'entre eux. D'ici à la fin de l'année 2027, les chercheurs ont pour objectif de trouver de nouveaux moyens de remédier aux pénuries de matières premières et de proposer des stratégies d'adaptation à l'industrie de transformation. Ils utilisent une approche moderne de la recherche sur les matériaux qui associe étroitement des modèles numériques à des expériences pratiques - ce que l'on appelle la conception combinatoire des matériaux. Grâce à cette méthode, les chercheurs peuvent simuler différents scénarios en laboratoire, comme la manière dont les changements dans la composition des matériaux, les ajustements au cours de la production ou le recyclage répété affectent les propriétés d'un matériau. En combinant les simulations numériques et les essais expérimentaux, ils peuvent mieux optimiser les propriétés des matériaux, prédire les résultats et mettre en œuvre plus rapidement les ajustements nécessaires.
Le Fraunhofer IWS bénéficie de l'expérience acquise dans le cadre d'un projet antérieur. Dans le cadre du programme européen M-ERA.net, le groupe d'analyse des matériaux et des défaillances du Dr Jörg Kaspar a travaillé sur les alliages à haute entropie (HEA), considérés comme des matériaux prometteurs pour des industries telles que l'aviation, la construction de turbines et d'autres secteurs à haute performance. Ces alliages sont constitués d'au moins cinq métaux différents combinés dans des proportions presque égales, s'éloignant ainsi du concept traditionnel des matériaux métalliques dominés par un seul élément chimique, comme le fer dans le cas de l'acier. Lorsqu'ils sont conçus correctement, les HEA offrent une combinaison exceptionnelle de propriétés : ils ont une résistance élevée et une excellente ductilité, sont plus durs et plus résistants à la chaleur, à l'usure et à la corrosion que les matériaux traditionnels tels que l'acier ou l'aluminium.
Méthodes numériques pour des combinaisons de matériaux optimisées
Malgré leur potentiel, les HEA sont encore rarement utilisés, principalement parce qu'ils sont difficiles à traiter et coûteux à produire. Trouver efficacement la composition idéale reste un défi. Compte tenu des nombreuses combinaisons possibles, tester manuellement chaque variante prendrait des années. "Nous avons mis au point une méthode qui permet d'accélérer considérablement ce processus", explique le Dr Kaspar. Tout d'abord, nous utilisons une simulation informatique. Sur la base de nombreuses données relatives à diverses compositions chimiques, nous identifions et présélectionnons des alliages intéressants. Ensuite, nous procédons à des essais pratiques.
À l'aide de systèmes de fabrication additive, les chercheurs produisent rapidement des échantillons des compositions prédites de l'HEA. Les systèmes mélangent des poudres élémentaires telles que le fer, le chrome et le nickel, les font fondre à l'aide d'un laser et les déposent sur une plaque d'échantillonnage. La machine ajuste automatiquement la composition et chaque nouvel alliage est testé en termes de dureté, de résistance et d'autres propriétés pertinentes. Cette approche semi-automatisée permet d'identifier beaucoup plus rapidement l'alliage optimal.
D'autres idées pour un approvisionnement durable en matériaux
"Nous prévoyons d'exploiter cette expertise dans le cadre du nouveau projet ORCHESTER", explique le professeur Martina Zimmermann. Elle explique le nom du projet par une analogie : un orchestre combine plusieurs instruments, chacun jouant des notes différentes mais se fondant finalement en un son harmonieux. Différentes substances de base sont réunies dans les matériaux, chacune contribuant à leurs propriétés. "Notre objectif est de déterminer et d'évaluer efficacement ces compositions et ces propriétés. Les simulations et les expériences créeront une base de connaissances numérique sur les propriétés des matériaux, ce qui permettra de formuler des recommandations pour les applications industrielles et d'approfondir les connaissances sur les performances des matériaux.
Les idées vont encore plus loin. Les chercheurs développent déjà de nouveaux concepts pour des projets futurs. "Une question fascinante serait de savoir comment nous pouvons utiliser notre conception combinatoire des matériaux pour déterminer efficacement comment recycler continuellement des matériaux à partir de déchets sans compromettre leur profil de propriétés", déclare le Dr Kaspar. Les projets du Fraunhofer IWS ne peuvent à eux seuls résoudre le problème de la pénurie de matières premières, "mais avec nos partenaires, nous souhaitons apporter une contribution significative", ajoute le professeur Martina Zimmermann.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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