L'Empa veut réparer les ponts grâce à l'impression 3D sur métal
Les structures en acier subissent des contraintes pendant des décennies, ce qui peut provoquer des fissures de fatigue. Comme le remplacement de composants fixés est souvent complexe ou coûteux, les chercheurs de l’Empa étudient comment les réparer ou les repenser grâce à l’impression 3D métallique.
Crédit image: Empa
Les chercheurs visent à réparer les ponts endommagés et d'autres structures métalliques à l'aide de l'impression 3D métallique.
Une fine fissure traverse la plaque d’acier. Lorsque le bras robotisé passe sur le point faible, il ne crée pas seulement un simple cordon de soudure, mais un renfort métallique tridimensionnel. Cela est rendu possible par un procédé appelé « Wire Arc Additive Manufacturing » (WAAM). Ce procédé consiste à « imprimer » littéralement, couche par couche, un fil de soudure sur les zones défectueuses à l’aide d’un arc électrique.
Renforts 3D
Contrairement au soudage classique, l’impression 3D métallique ne se contente pas d’assembler des composants entre eux, mais permet également de réaliser des renforts avec une géométrie sur mesure et à la production optimisée. Il est ainsi possible de renforcer localement et efficacement les zones endommagées sans avoir à remplacer l’ensemble du composant défectueux. Les chercheurs de l’Empa souhaitent utiliser ce procédé pour réparer les parties fissurées des ponts et des structures porteuses. En effet, les composants en acier fixes sont souvent difficiles à remplacer, voire ne peuvent l’être qu’au prix d’efforts considérables.
« L'important n'est pas d'appliquer le plus de matériau possible », explique Hossein Heydarinouri, du département Structures d'ingénierie de l'Empa. « Ce qui compte bien plus, c'est la forme : une géométrie optimisée répartit les contraintes de manière à stopper ou à ralentir considérablement la propagation des fissures existantes. » C’est ainsi que des chercheurs de l’Empa et de l’EPFZ de Zurich ont pu, dans le cadre d’un mémoire de master, prolonger jusqu’à quatre fois la durée de vie des plaques en acier endommagées étudiées.
Crédit image: Empa.
Une géométrie optimisée avec précision confère une plus grande durabilité à l'armature métallique.
Au cours d’essais approfondis menés dans le hall de construction de l’Empa, des plaques d’acier fissurées ont été dotées de renforts métalliques de formes variées, puis soumises à des contraintes répétées. Les résultats sont sans équivoque: tous les échantillons renforcés ont présenté une durée de vie en fatigue nettement supérieure à celle des plaques de référence non réparées. Les géométries de renfort à deux couches et à gradation se sont révélées particulièrement efficaces.
Dans le même temps, l'étude met également en évidence les limites de cette approche. Si la géométrie est mal choisie, de nouvelles concentrations de contraintes peuvent apparaître, par exemple aux jonctions entre le matériau de base et le métal imprimé.
Obstacles concrets
Les fissures de fatigue comptent parmi les dommages les plus fréquents dans la construction métallique, et un renforcement ciblé est nettement plus efficace que le remplacement complet de l’élément endommagé. « Grâce à l’impression 3D, nous pouvons appliquer des renforts métalliques de manière ciblée, exactement là où ils sont nécessaires sur le plan structurel », explique Hossein Heydarinouri. « Les réparations permettent d’économiser des matériaux, de l’énergie et des coûts. »
Malgré ce fort potentiel, la mise en pratique reste semée d’embûches. L’impression 3D métallique est réalisée à l’aide de systèmes robotiques industriels dont la mobilité est limitée. Il existe certes des premières approches en matière de systèmes robotiques mobiles ou portables, mais des développements supplémentaires sont nécessaires pour une utilisation à grande échelle directement sur site. L’équipe de recherche voit néanmoins des avantages pour les applications où les éléments sont facilement accessibles ou peuvent être démontés lors de travaux de maintenance.
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L'usine pilote WAAM à l'Empa.
Outre la réparation de composants endommagés, l'équipe dirigée par le chercheur de l'Empa Hossein Heydarinouri travaille également sur des concepts plus avancés. La combinaison de géométries intelligentes, de l'impression 3D métallique et de nouveaux matériaux permet de créer des structures métalliques qui cèdent délibérément sous des contraintes extrêmes, absorbant ainsi l'énergie, puis reprennent autant que possible leur forme initiale ou, à tout le moins, évitent des dommages irréversibles. A l’avenir, elles pourraient être utilisées comme éléments d’amortissement métalliques pour les séismes ou les vibrations – par exemple dans les ponts, les bâtiments ou les installations techniques. De plus, le chercheur de l’Empa voit un potentiel dans le génie mécanique, notamment pour des composants légers mais soumis à de fortes contraintes dans les machines de production. C’est surtout là où seuls quelques composants géométriquement optimisés sont nécessaires pour que le WAAM déploie tous ses atouts.
Des matériaux intelligents
Par ailleurs, Maryam Mohri, spécialiste en science des matériaux à l’Empa, étudie comment les alliages à mémoire de forme (« Shape Memory Alloys », SMA) permettent de perfectionner les propriétés de manière ciblée. Ces matériaux « intelligents » ont la capacité de reprendre leur forme initiale après une déformation, par exemple sous l’effet de la chaleur. Cela permet de combiner des propriétés matérielles améliorées avec des géométries sur mesure, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour des composants métalliques adaptatifs et économes en matériaux. Les géométries correspondantes sont développées à l’Empa à l’aide de simulations numériques, puis testées expérimentalement. Les chercheurs s’assurent ainsi que les composants imprimés répondent à des conditions réalistes et sont adaptés à des applications industrielles.
