Le professeur Ralf Busch (à gauche) et son équipe veulent utiliser des verres métalliques pour améliorer l’efficacité énergétique des moteurs électriques. Le groupe de recherche a mis au point de nouveaux alliages dont les propriétés permettent d’imprimer en 3D des composants de moteurs entièrement en métal amorphe (verre métallique). Dans le cadre de son doctorat, Amirhossein Ghavimi (à droite) a participé aux recherches sur ces nouveaux alliages. © Pasquale D’Angiolillo/UdS

Les matériaux innovants permettent aux appareils électriques de consommer moins d’énergie. Dans les moteurs électriques, des composants en verre métallique permettent de réduire les pertes d’énergie. Ralf Busch, professeur à l’Université de la Sarre, et son équipe ont développé de nouveaux alliages à cet effet. En collaboration avec son collègue Matthias Nienhaus et des partenaires internationaux, l’équipe se penche sur la fabrication de composants moteurs par impression 3D.

Ils bénéficient pour ce faire d’un financement de l’UE de 3,5 millions d’euros. 

Qu’il s’agisse de vélos électriques, de drones ou de brosses à dents électriques, les moteurs électriques sont partout. Ils transforment l’électricité en mouvement et perdent inutilement beaucoup d’énergie. Plus le moteur tourne vite, plus il gaspille d’énergie. « Et plus les moteurs sont petits, moins ils sont efficaces. Les spécialistes parlent ici de pertes dans le fer », explique le professeur Ralf Busch de l’Université de la Sarre.

Cela s’explique notamment par le fait que le champ magnétique dans les entraînements change constamment. Dans les moteurs électriques, un rotor tourne dans un composant fixe, le stator. Cela génère un champ magnétique alternatif : il se forme en permanence, s’effondre à nouveau et change de direction. Cette remagnétisation incessante coûte de l’énergie.

Chaque fois que le champ magnétique change de direction, les zones polarisées magnétiquement du matériau tournent comme de minuscules aimants cylindriques dans la microstructure cristalline du métal. Cela génère des frottements. Une grande partie de l’énergie est convertie en chaleur et dissipée.

« Nous cherchons des moyens de réduire ces pertes d’efficacité en améliorant les matériaux utilisés dans les moteurs électriques. Dans les moteurs actuels, les composants du stator et du rotor sont fabriqués à partir d’alliages de fer conventionnels à grains grossiers et à magnétisme doux. Bien que ces alliages soient déjà optimisés, ils présentent encore des pertes par hystérésis relativement élevées lors de la remagnétisation. Nous souhaitons remplacer ces alliages cristallins conventionnels par des alliages amorphes, de type vitreux, car ils ne perdent pratiquement aucune énergie lors de la remagnétisation », explique Ralf Busch, qui poursuit cette approche depuis quatre ans au sein d’un consortium international. « Les pertes diminuent considérablement lorsque les cristallites sont extrêmement petites, c’est-à-dire de structure nanocristalline, ou lorsque la structure cristalline est totalement absente, c’est-à-dire lorsque le matériau est de type vitreux ou amorphe. »

Verres métalliques : pratiquement aucune perte d’énergie sans structure cristalline

Les nouveaux alliages que lui et son groupe de travail de Sarrebruck ont développés dans le cadre du projet financé par l’UE permettent aux moteurs de rester froids, car la commutation de polarité s’effectue plus facilement. « Sur la base de cette recherche fondamentale, nous pourrons rendre les appareils électriques plus efficaces à l’avenir », affirme M. Busch avec certitude.

« Il sera possible, grâce à ce matériau, de réduire la consommation d’énergie de nombreux moteurs électriques utilisés au quotidien et, à terme, d’augmenter l’autonomie des scooters électriques ou des drones. Outre une plus grande efficacité, les métaux amorphes nous permettent de renoncer à des éléments critiques tels que le cobalt », explique le professeur en matériaux métalliques.

Ces alliages sont des verres métalliques contenant entre 70 et 80 % de fer, qui peuvent être moulés à l’aide d’une imprimante 3D. Busch fait partie des pionniers dans ce domaine. Lui et son équipe testent également les métaux vitreux issus de leur laboratoire d’idées dans les conditions d’apesanteur de la Station spatiale internationale (ISS). Il travaille depuis des décennies avec la NASA et le Centre allemand pour l’aéronautique et l’astronautique. Le groupe de travail détient plusieurs brevets sur des alliages innovants ultra-résistants aux propriétés totalement inédites, et vient d’en déposer un nouveau. 

Contrairement à ce que son nom laisse supposer, le verre métallique n’est pas fragile, mais bien plus résistant que l’acier. Le terme « verre » repose uniquement sur les propriétés intrinsèques de ce métal exceptionnel : il ne possède pas de réseau cristallin.

« Dans les métaux traditionnels, les atomes sont disposés en réseaux cristallins. Dans les verres métalliques, ils sont désordonnés », explique Busch. Si les chercheurs choisissent habilement la composition des différents types d’atomes, ceux-ci se solidifient sur place lorsque le métal en fusion chaud refroidit : avant même d’avoir la possibilité de s’organiser en réseau cristallin, les atomes « gèlent » là où ils se trouvent dans la masse en fusion, comme dans le verre. En l’absence de réseau cristallin, rien ne s’oppose à la démagnétisation de l’ dans le moteur électrique. C’est donc idéal pour réduire les pertes ferriques bien connues. « Sans être retenues par des cristallites métalliques, les zones magnétiques, appelées domaines de Weiss, passent simplement à travers », explique le chercheur en matériaux. « les propriétés magnétiques des verres métalliques sont donc très bien adaptées aux moteurs électriques. »

Les verres métalliques peuvent être traités comme du plastique et moulés dans n’importe quelle forme, par moulage par injection ou, comme ici, par impression 3D métallique – ce sur quoi on travaille actuellement pour les composants du moteur : le nouveau matériau sous forme de poudre est fondu au laser puis refroidi de manière à former, couche après couche, des composants de moteur d’une épaisseur de 50 micromètres – entièrement amorphes, sous forme de verre métallique, sans cristallites gênantes.

Recherche de l’alliage approprié dans un espace à cinq dimensions

Développer des alliages présentant les propriétés adéquates s’est avéré extrêmement délicat. Ils doivent se solidifier en verre et présenter les conditions requises pour pouvoir remplacer les matériaux conventionnels dans le moteur électrique. Ils doivent également pouvoir être imprimés en 3D. L’équipe de Busch a trouvé la bonne formule. « Nous avons sélectionné des centaines d’alliages et testé leur résistance à la cristallisation. Cette recherche s’effectue dans un espace de concentration à cinq dimensions. Si un alliage ne fonctionne pas, il faut retourner à la planche à dessin et le concevoir à partir de zéro. La percée a eu lieu il y a un peu plus d’un an », explique Busch. Les chercheurs de Sarrebruck ont trouvé trois alliages résistants à la cristallisation et remplissant toutes les conditions pour imprimer des composants de moteur entièrement vitreux. 

Cela pose les bases pour des moteurs électriques plus efficaces sur le plan énergétique et plus respectueux de l’environnement, avec des composants en verre métallique. « Le défi consiste désormais à perfectionner le procédé afin qu’il fonctionne dans la pratique et à l’échelle industrielle », explique le professeur Matthias Nienhaus, spécialiste en technologie d’entraînement, également de l’Université de la Sarre. Il s’agit d’ajuster les paramètres appropriés du processus d’impression avec la technologie de fabrication additive « Laser Powder Bed Fusion » (L-PBF) et de développer de nouvelles méthodes de traitement. Ralf Busch et Matthias Nienhaus collaborent à cet effet dans le cadre d’un projet européen avec des chercheurs d’Espagne, d’Italie, de Pologne et d’Allemagne.

https://www.uni-saarland.de/fr/actualite/elektromotor-mit-metallischem-glas-44404.html