Des matériaux innovants pourraient réduire la consommation énergétique des appareils électriques, permettant aux drones de voler plus longtemps et aux vélos électriques d’aller plus loin. En introduisant des composants en verre métallique dans les moteurs électriques, les chercheurs visent à minimiser les pertes d’énergie durant leur fonctionnement. Le professeur Ralf Busch et son équipe de l’Université de la Sarre ont développé de nouveaux alliages dans cet objectif. En collaboration avec son collègue le professeur Matthias Nienhaus et un groupe de partenaires internationaux, l’équipe explore les aspects fondamentaux de l’utilisation de l’impression 3D pour fabriquer des composants de moteurs. L’UE soutient leurs recherches avec 3,5 millions d’euros.
Les moteurs électriques sont partout – dans les vélos électriques, les drones et les brosses à dents électriques. Ils convertissent l’électricité en mouvement, mais jamais avec une efficacité parfaite. L’énergie est toujours perdue dans le processus et plus un moteur tourne vite, plus les pertes sont importantes.
« Et plus les moteurs sont petits, plus ils deviennent inefficaces – un phénomène connu sous le nom de “pertes fer”, » explique le professeur Ralf Busch de l’Université de la Sarre. Une raison de ces pertes est que le champ magnétique à l’intérieur du moteur change constamment. Dans un moteur électrique, un composant appelé rotor tourne à l’intérieur d’un stator fixe, générant un champ magnétique alternatif dont l’intensité et la direction changent périodiquement dans le temps. Cette aimantation continue nécessite de l’énergie. À l’intérieur du métal, les minuscules blocs de construction magnétiques du matériau – que l’on peut voir comme des microscopiques aimants en barre dans la structure cristalline – doivent inverser leur orientation à chaque fois que le champ change de direction. Forcer ces « aimants élémentaires » à tourner provoque une friction interne due à la microstructure cristalline du métal. Une partie de l’énergie est ainsi convertie en chaleur – et effectivement gaspillée.
« 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 ferromagnétiques classiques à gros grains. Bien que ces alliages soient déjà optimisés, ils présentent encore des pertes par hystérésis relativement élevées lors de la ré-aimantation. Nous voulons remplacer ces alliages cristallins classiques par des alliages amorphes, semblables au verre, car ils ne perdent pratiquement aucune énergie lors de la ré-aimantation, » affirme Ralf Busch, qui poursuit cette approche depuis quatre ans avec 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 que le matériau est semblable à du verre ou amorphe. »
Les verres métalliques signifient des pertes d’énergie minimales
Les nouveaux alliages que Busch et son équipe de Sarrebruck ont développés dans le cadre du projet de recherche financé par l’UE aident à maintenir les entraînements électriques au frais, car l’inversion d’aimantation se déroule plus facilement dans ces matériaux. « Cette recherche fondamentale nous a placés dans une position où nous pouvons contribuer à rendre les appareils électriques du futur plus efficaces, » déclare Busch. « Simplement en changeant le matériau, nous pouvons réduire la consommation d’énergie dans toute une gamme de moteurs électriques quotidiens et, en fin de compte, augmenter l’autonomie des trottinettes électriques ou des drones. Un autre aspect positif de notre travail est qu’en utilisant des métaux amorphes, nous n’avons plus à traiter avec des éléments d’alliage critiques comme le cobalt, » explique Ralf Busch.
Les alliages avec lesquels Busch et son équipe travaillent sont des verres métalliques avec une teneur en fer de 70 à 80 % qui peuvent être précisément mis en forme par impression 3D. Ralf Busch est un pionnier dans ce domaine. Pendant des décennies, Busch a collaboré avec la NASA et le Centre allemand de l’aéronautique et de l’astronautique, et son groupe a même fait tester certains de ses nouveaux métaux semblables au verre dans les conditions de microgravité à bord de la Station spatiale internationale (ISS). Le groupe de recherche détient plusieurs brevets pour des alliages nouveaux et ultra-résistants avec des propriétés entièrement nouvelles – et en a déposé un autre récemment.
Malgré son nom, le verre métallique est loin d’être fragile ; c’est un matériau dont la résistance est nettement supérieure à celle de l’acier. Le terme « verre » se réfère uniquement à la structure interne du matériau, qui est amorphe – ce qui signifie qu’elle n’a pas de réseau cristallin. « Dans les métaux conventionnels, les atomes sont arrangés en réseaux cristallins ordonnés. Dans les verres métalliques, les atomes sont dans un arrangement désordonné et amorphe, sans périodicité à longue distance, » explique Busch. Si les chercheurs choisissent soigneusement le mélange d’espèces atomiques, les atomes « gèlent » en place lorsque la masse fondue chaude refroidit, ce qui signifie que les atomes se verrouillent avant qu’un réseau cristallin ne puisse se former – un peu comme dans un verre. Sans réseau cristallin, le processus de ré-aimantation est plus facile à réaliser dans un verre métallique, réduisant significativement les pertes fer qui se produisent dans les composants de moteur classiques. « Parce que les verres métalliques n’ont pas de cristallites, les régions magnétiques – appelées domaines de Weiss – ne sont pas obstruées et peuvent se réorienter librement lorsque le champ magnétique change, » souligne Busch. « Les propriétés magnétiques des verres métalliques sont donc exceptionnellement bien adaptées à une utilisation dans les moteurs électriques. »
Les verres métalliques peuvent être traités comme des plastiques et moulés dans pratiquement n’importe quelle forme, par moulage par injection ou, comme dans ce projet, par impression 3D métal, qui est désormais utilisée pour produire des composants de moteurs. Le processus de fabrication commence par fondre la matière en poudre avec un laser, puis en contrôlant le refroidissement pour que des couches d’une épaisseur de 50 micromètres soient construites couche par couche en pièces de moteur entièrement constituées de verre métallique amorphe sans cristallites perturbatrices.
À la recherche du bon alliage dans un espace à cinq dimensions
Concevoir des alliages avec le bon ensemble de propriétés s’est avéré une tâche très difficile. L’alliage doit non seulement se vitrifier (c’est-à-dire former un verre), mais il doit aussi avoir des propriétés qui lui permettent de remplacer les matériaux de moteur classiques et il doit être compatible avec l’impression 3D. Mais l’équipe de Busch a finalement trouvé la bonne recette. « Nous avons sélectionné des centaines d’alliages et testé leur résistance à la cristallisation. Dans un alliage contenant cinq éléments, cela signifiait chercher dans un espace compositionnel à cinq dimensions. Si un alliage échoue, c’est un retour à la planche à dessin pour une refonte complète. La percée est arrivée il y a un peu plus d’un an, » raconte Ralf Busch. Les chercheurs de Sarrebruck ont identifié trois alliages qui résistent à la cristallisation et qui ont les propriétés nécessaires pour imprimer avec succès des composants de moteur métalliques entièrement semblables au verre.
Les bases ont donc été jetées pour des moteurs électriques plus économes en énergie et respectueux de l’environnement avec des composants d’entraînement en verre métallique. « Le défi est maintenant de développer le processus pour qu’il fonctionne de manière fiable en pratique et à l’échelle industrielle, » ajoute le professeur Matthias Nienhaus, expert en technologie d’entraînement à l’Université de la Sarre. L’équipe travaille maintenant à ajuster les paramètres critiques dans le processus de fabrication additive, la fusion sur lit de poudre par laser (L-PBF), et à concevoir de nouvelles méthodes de traitement. Busch et Nienhaus collaborent avec des partenaires en Espagne, en Italie, en Pologne et en Allemagne dans le cadre d’un projet de recherche et développement à l’échelle européenne.
De 2022 à février 2026, le projet AM2SoftMag (Fabrication additive de métaux amorphes pour les applications magnétiques douces) a reçu un financement de 3,5 millions d’euros du Conseil européen de l’innovation dans le cadre du programme Horizon Europe Pathfinder Open. (HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN-01 grant ; GA : 101046870)
Consortium européen
L’équipe du projet comprend la professeure Isabella Gallino, qui a obtenu la subvention à l’Université de la Sarre en 2022 et qui effectue des recherches et enseigne à la TU Berlin depuis 2024. Le partenaire industriel du consortium, Heraeus AMLOY Technologies (Karlstein am Main, Allemagne), est responsable de l’impression 3D des composants magnétiques. Les autres partenaires sont la Dr Teresa Pérez Prado à Madrid (Fondation IMDEA Materials, Espagne), spécialiste de l’impression 3D de métaux, la Dr Paola Tiberto à Turin (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica – INRIM, Italie), dont la recherche se concentre sur la mesure des propriétés magnétiques de nouveaux matériaux, et le Dr Tomasz Choma à Varsovie (AMAZEMET, Pologne), spécialiste de la production de poudres métalliques.
https://www.am2softmag.com
Source : Saarland U.
