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Ils bénéficient pour ce faire d'un financement de l'UE de 3,5 millions d'euros.
Le texte suivant a été traduit automatiquement de l'allemand et n'a pas été post-édité.
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 travaillons à réduire ces pertes d'efficacité en améliorant les matériaux utilisés dans les moteurs électriques. Aujourd'hui, les composants du stator et du rotor sont constitués d'alliages de fer traditionnels, dits magnétiques doux, à cristaux grossiers. Bien qu'ils aient déjà été optimisés, ils présentent encore des pertes par hystérésis relativement élevées, dites « », lors de la démagnétisation. Nous voulons remplacer ces matériaux par des alliages amorphes, c'est-à-dire vitreux, qui ne perdent pratiquement pas d'énergie lors de la remagnétisation », explique le chercheur en matériaux, qui travaille depuis quatre ans sur ce sujet avec un consortium international. « Les pertes diminuent considérablement lorsque les cristallites sont extrêmement petites, c'est-à-dire nanocristallines, ou lorsque la structure cristalline est même totalement absente, c'est-à-dire lorsque le matériau est amorphe », explique M. Busch.
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.
Le Conseil européen de l'innovation a financé le projet AM2SoftMag (Additive Manufacturing of Amorphous Metals for Soft Magnetics) dans le cadre du programme Horizon Europe Pathfinder-Open de 2022 à février 2026 à hauteur de 3,5 millions d'euros.
(Subvention HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN-01 ; GA : 101046870)
Consortium européen
La professeure Isabella Gallino, chercheuse en science des matériaux, qui a obtenu le financement du projet en 2022 à l'Université de la Sarre et qui mène des recherches et enseigne à l'université technique de Berlin depuis 2024, participe au projet. Le consortium compte également parmi ses partenaires industriels Heraeus Amloy Technologies (Karlstein am Main, Allemagne), qui est responsable de l'impression 3D des composants magnétiques. Les autres partenaires du projet sont le Dr Teresa Pérez Prado à Madrid (Fundación Imdea Materiales, Espagne), spécialiste de l'impression 3D des métaux, et le Dr Paola Tiberto à Turin (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica-INRIM, Italie). L'INRIM est leader dans le domaine de la mesure des propriétés magnétiques des nouveaux matériaux. Les spécialistes de la fabrication de poudres métalliques viennent de Varsovie : le Dr Tomasz Choma de la société Amazemet participe au projet.
Triathlon, « l'écosystème pour l'entrepreneuriat, l'innovation et le transfert » de l'Université de la Sarre, a aidé le professeur Busch à déposer son brevet.
Réponses aux questions :
Prof. Dr Ralf Busch (Chaire des matériaux métalliques de l'Université de la Sarre)
Tél. : (0681) 302 3208, e-mail :r.busch(at)mx.uni-saarland.de
Professeur Matthias Nienhaus (Chaire de technique d'entraînement de l'Université de la Sarre) Tél. : 0681 302-71681 ; e-mail : info(at)lat.uni-saarland.de
Vous trouverez des photos de presse
Vous pouvez utiliser gratuitement les photos de presse en mentionnant le nom du photographe comme crédit photo dans le cadre du présent communiqué de presse et des reportages sur l'Université de la Sarre.
