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Jul 12, 2023

Trimestriel de la technologie

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Trimestriel de la technologie

De nouveaux matériaux pour la fabrication

Différence matérielle

La science des matériaux transforme rapidement la façon dont tout est fabriqué, des voitures aux ampoules électriques, déclare Paul Markillie

"Je ne dépends pas du tout des chiffres", a déclaré Thomas Edison. "Je tente une expérience et raisonne le résultat, d'une manière ou d'une autre, par des méthodes que je ne peux pas expliquer." Et c'est ainsi qu'en testant 1 600 matériaux différents, de la fibre de coco à la ligne de pêche et même un cheveu de la barbe d'un collègue, Edison a finalement trouvé un type particulier de bambou qui pourrait être utilisé, sous forme carbonisée, comme filament dans la première ampoule à incandescence appropriée. Il en fit la démonstration le soir du Nouvel An 1879 dans son laboratoire de Menlo Park, New Jersey.

Les détails de tous ces essais et erreurs laborieux ont rempli plus de 40 000 pages des cahiers d'Edison, mais sa solution a rapidement été dépassée. Au début du 20e siècle, des filaments étaient fabriqués à partir de tungstène, qui brûlait plus fort et durait plus longtemps. Pendant plus de 100 ans, le monde a été éclairé par des ampoules à filaments de tungstène, et l'ampoule est devenue le raccourci fixe du caricaturiste pour l'innovation de toutes sortes.

Aujourd'hui, les ampoules sont remplacées par des diodes électroluminescentes (DEL), qui sont plus efficaces pour transformer l'électricité en lumière que les filaments et ont une durée de vie beaucoup plus longue. Les LED sont apparues pour la première fois dans les années 1960 en tant que voyants lumineux sur les équipements électriques. Aujourd'hui, ils fournissent un éclairage puissant pour les bâtiments, les rues et les voitures. Dans les régions pauvres du monde, ils éclairent des gens qui n'ont jamais vu une ampoule démodée.

L'ampoule d'Edison et la LED sont toutes deux des inventions de la science des matériaux, le processus de transformation de la matière en formes nouvelles et utiles. Mais dans les années qui se sont écoulées entre eux, les matériaux et la science sont devenus beaucoup plus complexes. Les matériaux semi-conducteurs, tels que le germanium ou le silicium, à partir desquels les LED sont fabriquées, souvent avec l'ajout soigneux d'atomes d'une autre substance, nécessitent une approche différente de celle de Menlo Park. Le type de lumière qu'ils produisent est affiné par des structures microscopiques et les détails de ces atomes supplémentaires. Pace Edison, ce genre de chose dépend de beaucoup de chiffres, sans parler de la théorie quantique.

La capacité de comprendre les propriétés des matériaux aux plus petites échelles permet non seulement aux gens de mieux faire les choses anciennes ; cela leur permet de faire de nouvelles choses. À l'époque d'Edison, utiliser la lumière pour envoyer des messages était le domaine des lampes Aldis qui faisaient clignoter des messages en code morse d'un navire à l'autre. Les diodes laser - des dispositifs semi-conducteurs conçus pour produire une lumière beaucoup plus pure que les LED - peuvent s'allumer et s'éteindre de manière contrôlée des milliards de fois par seconde. Dans un nombre impressionnant d'applications où l'information doit être acheminée de A à B, qu'il s'agisse d'un DVD et d'un haut-parleur, d'un code-barres et d'une caisse de supermarché ou des deux extrémités d'un câble à fibre optique transatlantique, les diodes laser font le travail. Malgré toute son abstraction apparente, le monde virtuel est construit sur des matériaux très réels et très bien compris.

C'est ce que certains scientifiques décrivent comme un "âge d'or" pour les matériaux. De nouvelles substances hautement performantes telles que des alliages exotiques et des composites ultra-résistants font leur apparition ; les matériaux "intelligents" peuvent se souvenir de leur forme, se réparer ou s'assembler en composants. De petites structures qui modifient la façon dont quelque chose réagit à la lumière ou au son peuvent être utilisées pour transformer un matériau en un « métamatériau » aux propriétés très différentes. Les partisans de la nanotechnologie parlent de construire des choses atome par atome. Le résultat est un flot de nouvelles substances et de nouvelles idées sur les façons de les utiliser pour améliorer les choses anciennes - et de nouvelles choses qui n'ont jamais été faites auparavant.

Les départements des matériaux des universités sont en plein essor, engendrant une culture entrepreneuriale dynamique et produisant une vague d'innovations (voir encadré ci-dessous). Bon nombre de ces découvertes ne passeront pas de la démonstration en laboratoire à la proposition commerciale. Mais certains pourraient bien changer le monde, comme l'ont fait les ampoules.

Plus vite plus haut plus fort

La compréhension du monde matériel fournie par un siècle de physique et de chimie explique une grande partie des progrès toujours plus rapides. Mais ce n'est pas un simple triomphe de la théorie. Les instruments comptent aussi. Des machines telles que les microscopes électroniques, les microscopes à force atomique et les synchrotrons à rayons X permettent aux scientifiques de mesurer et de sonder les matériaux avec beaucoup plus de détails que jamais auparavant.

Un projet du Centre international des matériaux avancés de l'Université de Manchester montre de telles avancées en action. Dans l'un de ses laboratoires, les scientifiques utilisent la spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS) pour étudier la façon dont les atomes d'hydrogène - les plus petits atomes qui soient - se diffusent dans des matériaux tels que l'acier, un processus qui peut provoquer de minuscules fissures. SIMS fonctionne en bombardant un échantillon avec un faisceau de particules chargées, ce qui provoque l'éjection de particules secondaires de la surface. Ceux-ci sont mesurés par un réseau de détecteurs pour créer une image avec une résolution allant jusqu'à 50 nanomètres (milliardièmes de mètre). Il ne révèle pas seulement la structure cristalline du métal - et ses défauts - mais détermine également les impuretés chimiques, telles que la présence d'hydrogène. "Nous pouvons maintenant faire en un après-midi ce que nous faisions autrefois en plusieurs mois", déclare Paul O'Brien, professeur à l'université. L'espoir est que BP, la compagnie pétrolière qui parraine le centre, obtiendra ainsi de meilleurs aciers pour ses travaux offshore et de traitement.

En plus de disposer d'instruments de plus en plus performants, les chercheurs bénéficient également d'une augmentation massive de la puissance de calcul disponible. Cela leur permet d'explorer en détail les propriétés des matériaux virtuels avant de décider d'essayer d'en faire quelque chose.

"Nous sortons d'une époque où nous étions aveugles", déclare Gerbrand Ceder, expert en batteries à l'Université de Californie à Berkeley. Avec Kristin Persson, du Lawrence Berkeley National Laboratory, M. Ceder a fondé le Materials Project, une entreprise en libre accès utilisant un groupe de superordinateurs pour compiler les propriétés de tous les composés connus et prédits. L'idée est qu'au lieu de chercher une substance avec les propriétés souhaitées pour un travail particulier, les chercheurs pourront bientôt définir les propriétés dont ils ont besoin et leurs ordinateurs leur fourniront une liste de candidats appropriés.

Leur point de départ est que tous les matériaux sont constitués d'atomes. Le comportement de chaque atome dépend de l'élément chimique auquel il appartient. Les éléments ont tous des propriétés chimiques distinctes qui dépendent de la structure des nuages ​​d'électrons qui composent les couches externes de leurs atomes. Parfois, un atome associe l'un de ses électrons à un électron d'un atome voisin pour former une "liaison chimique". Ce sont les types de connexions qui structurent les molécules et certains types de matériaux cristallins, tels que les semi-conducteurs. D'autres types d'atomes aiment partager leurs électrons plus largement. Dans un métal, les atomes partagent beaucoup d'électrons ; il n'y a pas de liaisons (ce qui rend les métaux malléables) et les courants électriques peuvent circuler librement.

Lorsqu'il s'agit de créer des liaisons chimiques, un élément, le carbone, est unique en son genre ; on peut en faire un nombre plus ou moins infini de molécules distinctes. Les chimistes appellent ces molécules à base de carbone organiques et ont consacré toute une branche de leur sujet - la chimie inorganique - à les ignorer. Le projet de matériaux de M. Ceder se situe dans ce domaine inorganique. Il a simulé quelque 60 000 matériaux, et d'ici cinq ans devrait atteindre 100 000. Cela fournira ce que les personnes travaillant sur le projet appellent le "génome des matériaux": une liste des propriétés de base - conductivité, dureté, élasticité, capacité à absorber d'autres produits chimiques, etc. - de tous les composés auxquels tout le monde pourrait penser. "Dans dix ans, quelqu'un qui fait de la conception de matériaux aura tous ces chiffres à sa disposition et des informations sur la manière dont les matériaux vont interagir", déclare M. Ceder. "Avant, rien de tout cela n'existait vraiment. C'était tous des essais et des erreurs."

Une promenade dans les laboratoires de General Electric (GE) - l'entreprise dans laquelle les activités d'essais et d'erreurs d'Edison ont été fusionnées en 1892 - montre des approches similaires déjà en pratique. Michael Idelchik, le chef de GE Research, pointe vers de nouveaux grenats artificiels développés pour être utilisés dans les scanners corporels. Les scanners doivent transformer les rayons X en lumière visible pour créer des images, et mieux ils le font, plus la dose de rayons X à laquelle le patient est exposé est faible. La société a examiné 150 000 types de cristaux subtilement différents qui scintillent lorsqu'ils sont soumis à des rayons X avant de se fixer sur un type spécifique de grenat qui, espère-t-elle, rendra les scans beaucoup plus rapides - plus sûrs et plus agréables pour le patient, plus rentables pour l'hôpital.

Aux possibilités offertes par les matériaux uniques s'ajoute le monde potentiellement encore plus riche de leur combinaison. Ailleurs dans l'empire, les travaux de M. Idelchik se concentrent sur le remplacement des pièces en alliage de nickel pour les moteurs à réaction par des pièces en composites à matrice céramique (CMC). Leurs fortes liaisons chimiques signifient que la céramique peut supporter plus de chaleur que les métaux ; en même temps, et pour des raisons connexes, ils sont plus cassants. Un CMC qui combine un métal et une céramique (GE utilise du carbure de silicium) peut vous offrir le meilleur des deux mondes. La société espère que les CMC qui nécessitent moins de refroidissement se traduiront par des moteurs plus efficaces qui émettent moins de dioxyde de carbone.

La puissance de calcul aide à créer de tels hybrides. Cela aide également les concepteurs à comprendre comment ces nouveaux matériaux peuvent être utilisés au mieux. De nombreux prototypes sont désormais produits sous forme virtuelle bien avant qu'un objet physique ne soit fabriqué, à l'aide de logiciels d'entreprises comme Altair, une entreprise du Michigan, Autodesk, une entreprise californienne (voir l'interview "Brain scan" plus loin dans ce rapport), et Dassault Systèmes, un groupe français. Les ingénieurs peuvent modéliser une usine de produits chimiques, les architectes peuvent "guider" les clients à travers une représentation numérique d'un bâtiment, et les voitures peuvent être testées virtuellement sur différentes routes et garées à côté des véhicules de leurs concurrents dans des scènes de rue.

Tout cela accélère considérablement le développement du produit. Le logiciel est suffisamment puissant pour prendre en compte les propriétés des matériaux utilisés, ce qui lui permet de calculer des éléments tels que les charges, les contraintes, la dynamique des fluides, l'aérodynamique, les conditions thermiques et bien plus encore.

Les fabricants commencent tout juste à réaliser le potentiel que cela offre, déclare Jeff Kowalski, directeur de la technologie d'Autodesk. De nombreuses entreprises adaptent simplement des pièces pour utiliser de nouveaux matériaux, s'attendant à les produire avec les mêmes outils et processus qu'auparavant. Cela donne des "résultats inférieurs aux normes", estime-t-il. C'est lorsque de nouveaux matériaux sont utilisés pour redéfinir les processus de production et permettre des types de produits entièrement nouveaux que les choses deviennent vraiment innovantes et que les dessinateurs dessinent des ampoules au-dessus de la tête des gens.

Juste la chose

Les entreprises se dirigent vers un monde de "conception générative", déclare M. Kowalski : les ingénieurs définiront ce qu'ils veulent réaliser et l'ordinateur fournira des conceptions adaptées à cet objectif. Au fur et à mesure que la connaissance des matériaux se développe, les ordinateurs trouveront également des matériaux répondant aux propriétés spécifiées par un concepteur. Les propriétés des matériaux peuvent même varier sur toute leur longueur et leur largeur, car il est de plus en plus facile de bricoler la microstructure. Certaines entreprises sont déjà sur la bonne voie pour offrir une telle confection de matériaux à Savile Row.

L'ingénierie au niveau moléculaire améliore les anciens matériaux et en crée de nouveaux

Les NANOPARTICULES sont souvent considérées comme une nouvelle invention créée par l'homme, mais elles existent depuis longtemps dans la nature - le sel de la mer et la fumée des volcans peuvent être trouvés dans l'atmosphère sous forme de nanoparticules. Ce qui intéresse les spécialistes des matériaux, c'est qu'avec les techniques de traitement modernes, il est possible de transformer de nombreux matériaux en vrac en nanoparticules, mesurées à 100 nanomètres (milliardième de mètre) ou moins. La raison en est que les nanoparticules peuvent acquérir des propriétés nouvelles ou grandement améliorées en raison de la mécanique quantique et d'autres effets. Cela comprend des caractéristiques physiques, chimiques, mécaniques et optiques uniques qui sont liées à la taille des particules. Les ingénieurs peuvent capturer certaines de ces propriétés en incorporant des nanoparticules dans leurs matériaux.

Christina Lomasney, physicienne, utilise des nanoparticules pour fabriquer des nanolaminés, une toute nouvelle classe de matériaux. Elle est co-fondatrice de Modumetal, une entreprise de Seattle développant un type de dépôt électrolytique. Cela fonctionne un peu comme la galvanoplastie, dans laquelle un métal, généralement sous forme de sel, est suspendu dans un liquide et se dépose sur un composant lorsqu'un courant électrique est appliqué.

Modumetal a trouvé un moyen de le faire avec une grande précision, en utilisant une variété de métaux dans le liquide. En manipulant soigneusement le champ électrique, il construit des placages de différents métaux sur une surface et contrôle la façon dont ces couches interagissent les unes avec les autres. "En effet, nous cultivons un matériau, en contrôlant sa composition et sa microstructure", explique Mme Lomasney. L'entreprise estime pouvoir le faire à l'échelle industrielle, à moindre coût et avec des matériaux conventionnels, tels que l'acier, le zinc et l'aluminium.

Ses premiers produits – diverses pompes, vannes et fixations – sont traités avec des couches anticorrosion plus durables que les traitements conventionnels, qui durent jusqu'à huit fois plus longtemps. Certains d'entre eux sont déjà utilisés par des sociétés pétrolières et gazières. Modumetal étend maintenant sa production et, avec le temps, prévoit non seulement de revêtir les structures, mais aussi de les développer.

L'une des applications les plus importantes pour l'ingénierie de la microstructure des matériaux concerne les batteries. Ceux-ci ont été fabriqués à partir de divers matériaux, tels que le plomb-acide et le nickel-cadmium. En plus d'être hautement toxiques, certains de ces ingrédients sont également volumineux et lourds, c'est pourquoi les téléphones portables des années 1980 ressemblaient à des briques. La batterie lithium-ion rechargeable a aidé à les réduire.

Les scientifiques travaillaient depuis des décennies sur l'utilisation du lithium comme matériau de batterie, car il est léger et hautement conducteur. La difficulté était de passer du laboratoire à la production à grande échelle. Le lithium est intrinsèquement instable, donc au lieu d'utiliser le matériau sous sa forme métallique, les chercheurs se sont tournés vers des composés plus sûrs contenant des ions lithium. En 1991, Sony a lancé avec succès une version commerciale de la batterie lithium-ion, contribuant à transformer l'électronique grand public portable.

Ces batteries alimentent désormais toutes sortes d'appareils, non seulement les smartphones et les ordinateurs portables, mais également les outils électriques, les voitures électriques et les drones. Les défauts de fabrication et la surcharge peuvent les faire surchauffer et même s'enflammer, mais après une série de rappels précoces de batteries d'ordinateurs portables et un certain nombre d'incendies dans des voitures et des avions, les fabricants semblent maintenant avoir maîtrisé ces problèmes.

Pourtant, la recherche d'une meilleure batterie est toujours en cours. Pour certaines applications, telles que les voitures électriques, cela serait transformateur. Jusqu'à récemment, la batterie d'une voiture électrique pouvait coûter entre 400 $ et 500 $ le kilowattheure, ce qui représente peut-être 30 % environ du coût global du véhicule, mais les coûts sont en baisse (voir graphique). En octobre, General Motors a déclaré qu'il s'attendait à ce que la batterie de sa nouvelle voiture électrique Chevy Bolt, qui devrait être mise en vente en 2016, coûte environ 145 dollars par kilowattheure. L'industrie estime qu'une fois que le coût sera descendu à environ 100 dollars par kilowattheure, les véhicules électriques deviendront courants car ils pourront concurrencer les voitures à essence de toutes tailles sans subvention.

Pour y arriver, il faudra une science intelligente des matériaux. Les batteries lithium-ion sont généralement fabriquées sous la forme d'une structure stratifiée avec un matériau appelé électrolyte en leur centre, généralement une substance liquide ou semblable à un gel à travers laquelle les ions lithium font la navette entre les électrodes.

Les batteries lithium-ion ne cessent de s'améliorer. Jeffrey "JB" Straubel, directeur de la technologie de Tesla, un constructeur californien de voitures électriques, affirme que les cellules de batterie de la Model S actuelle de la société sont fabriquées sur un équipement similaire à celui utilisé il y a dix ans pour la première voiture de l'entreprise, le Roadster. Mais avec l'amélioration de la chimie et des techniques de production, l'énergie qui y est stockée a augmenté de 50 %. Tesla s'est associé à son fournisseur japonais de batteries, Panasonic, pour construire une usine de 5 milliards de dollars au Nevada qui devrait faire baisser les coûts des batteries de voiture. Il fabriquera également une nouvelle batterie Tesla appelée Powerwall (photo), qui peut être utilisée pour stocker l'électricité solaire générée à la maison.

Posez-le sur mince

D'autres entreprises envisagent un changement plus radical de la technologie. L'une d'elles est Sakti3, une startup du Michigan, qui tente de commercialiser une batterie lithium-ion à électrolyte solide. Les batteries au lithium à semi-conducteurs existent déjà, mais principalement sous la forme de sauvegardes de la taille d'une pièce de monnaie dans les circuits électriques. Augmenter les processus de production pour les rendre suffisamment grands pour alimenter des appareils tels que les téléphones coûterait horriblement cher.

Sakti3, cependant, a trouvé un moyen de fabriquer une batterie au lithium solide avec un processus de dépôt en couche mince, une technique déjà largement utilisée pour produire des choses telles que des panneaux solaires et des écrans plats. "La technologie à semi-conducteurs offrira environ le double de la densité d'énergie, c'est-à-dire le double du temps de conversation sur votre téléphone ; le double de l'autonomie de votre voiture électrique", déclare Ann Marie Sastry, directrice générale de l'entreprise. Les cellules de la batterie auront également une longue durée de vie et seront plus sûres, ajoute-t-elle.

Alors pourquoi la technique n'a-t-elle pas été utilisée pour fabriquer des batteries auparavant ? Le prétendu avantage de l'entreprise est de savoir quels matériaux utiliser et comment rendre le processus rentable. Tout, y compris la physique compliquée, a été élaboré et testé virtuellement de manière approfondie avant que l'entreprise ne construise une ligne de production pilote. Mme Sastry explique qu'au fur et à mesure que l'entreprise sélectionnait les matériaux et développait les processus, les tests informatiques virtuels lui permettaient de prévoir le coût de l'augmentation de la production. Lorsqu'elles sont construites en gros volumes, les batteries à semi-conducteurs devraient coûter environ 100 $ par kilowattheure, et il y a place pour de nouvelles améliorations.

Initialement, Sakti3 s'attend à ce que ses cellules à semi-conducteurs soient utilisées dans l'électronique grand public, ce qui semble d'autant plus probable que Dyson, un fabricant britannique d'appareils électriques, a acheté l'entreprise pour 90 millions de dollars en octobre. Dyson, qui a inventé l'aspirateur sans sac, se lance dans la robotique domestique, pour laquelle il estime avoir besoin de bonnes batteries. Mais avec une ingénierie plus poussée, les batteries pourraient également migrer vers les voitures électriques et le stockage en réseau. Un certain nombre de groupes de recherche du monde entier espèrent des percées en matière de batteries, notamment 24M, une startup du Massachusetts, qui utilise la nanotechnologie pour développer ce qu'elle appelle une batterie lithium-ion "semi-solide" économique.

"Je pense que les batteries vont changer le monde", déclare M. Ceder à Berkeley, "et c'est purement une question de matériaux". Il a travaillé sur presque toutes les technologies de batterie, mais le lithium reste son préféré, notamment parce que tant d'efforts y ont été consacrés. Une fois que l'industrie a beaucoup investi dans une technologie particulière, le coût irrécupérable donne aux matériaux établis un énorme avantage. "Mais cela ne veut pas dire que nous n'essaierons pas de trouver de nouveaux matériaux", ajoute-t-il.

Il y a ici un parallèle avec le silicium. Ce n'est pas le meilleur semi-conducteur, mais il est facilement disponible, bon marché et bien compris, et toute une industrie de fabrication de puces a été construite autour de lui. Ce qui a guidé l'industrie, c'est la loi de Moore : le doublement de la puissance de calcul sur une puce tous les deux ans sans surcoût. Proposée en 1965 par Gordon Moore, l'un des fondateurs d'Intel, la loi est restée en vigueur depuis. Mais certains pensent que cela touche à sa fin car les fonctionnalités intégrées à une puce approchent la taille des atomes. À cette échelle, des problèmes tels que les fuites de courant et l'instabilité commencent à surgir. Un jour, le silicium pourrait bien céder la place à d'autres matériaux aux propriétés électriques supérieures, comme l'arséniure de gallium, le trisulfure de titane ou éventuellement le graphène.

Trésor non réclamé

Très médiatisé comme "matériau miracle", le graphène est une forme de carbone découverte en 2004 à l'Université de Manchester en Grande-Bretagne par Andre Geim et Kostya Novoselov, qui ont remporté le prix Nobel de physique pour leurs travaux. C'est l'un des nombreux matériaux bidimensionnels, ainsi appelés parce qu'ils n'ont qu'un atome d'épaisseur ou plus. De nombreux chercheurs et startups se sont tournés vers le graphène car il est extrêmement léger mais solide ; c'est transparent; et on peut le faire fonctionner comme un semi-conducteur. Jusqu'à présent, cependant, la plupart du graphène est utilisé dans les laboratoires de recherche, qui sont toujours à la recherche d'une "application qui tue". Outre les puces informatiques, les utilisations potentielles pourraient inclure des membranes pour la purification de l'eau, des cellules solaires plus efficaces et des électrodes invisibles en verre. Pendant ce temps, cependant, le carbone sous d'autres formes est déjà une activité importante dans deux des plus grandes industries manufacturières du monde.

Les composites en fibre de carbone simplifient les avions, et maintenant aussi les voitures

LE bâtiment central de l'usine automobile de BMW à Leipzig est une structure étonnamment moderne de Zaha Hadid, une architecte réputée pour ses conceptions néo-futuristes. L'usine produit une variété de véhicules, il n'est donc pas surprenant de trouver un groupe de robots dans une zone, se déplaçant en parfaite synchronisation alors qu'ils assemblent des sections de carrosserie avec une précision qu'aucun humain ne pourrait espérer égaler. Mais l'endroit est exceptionnellement calme, sans aucune machine à emboutir le métal ni pluie d'étincelles de soudure. L'indice de ce qui se passe est la couleur des composants. Au lieu de l'argent habituel de l'acier ou de l'aluminium, ces pièces sont noires. Ils sont fabriqués à partir d'un matériau composite appelé fibre de carbone.

Cette usine est également différente à d'autres égards. « Nous ne soudons pas ; nous n'avons ni rivets, ni vis, ni boulons. Nous ne faisons que coller des composants ensemble », explique Ulrich Kranz, le chef de la division qui fabrique depuis 2013 les véhicules électriques et hybrides i3 et i8 de BMW à Leipzig. La carrosserie en fibre de carbone apportant sa solidité au véhicule, les panneaux extérieurs sont principalement décoratifs et en plastique. Ceux-ci sont simples à pulvériser dans une petite cabine de peinture, alors que le métal nécessite un traitement anti-corrosion élaboré dans un atelier de peinture géant et coûteux. Au total, l'usine i3 utilise 50 % d'énergie en moins et 70 % d'eau en moins qu'une installation conventionnelle.

Les séries i sont des voitures haut de gamme, mais toujours produites en volume. BMW a réussi à prendre un nouveau matériau jusqu'alors utilisé dans des applications spécialisées à faible volume, telles que l'aérospatiale et la défense, et à le transformer en quelque chose de proche de la production de masse. Cela appelait des changements radicaux. Lorsqu'en 2007, le conseil d'administration de BMW a demandé à M. Kranz de proposer une citadine électrique et un système de production à faible consommation d'énergie, lui et son équipe se sont cachés pour laisser libre cours aux idées.

Le matériau de choix de M. Kranz était la fibre de carbone, notamment pour compenser le poids de la batterie. Le matériau est fabriqué à partir de minces filaments de carbone tissés dans un tissu. Celui-ci est coupé et pressé en forme de pièce et les fibres sont liées avec une résine plastique, durcie par la chaleur et la pression. La structure moléculaire des composés de carbone produit des liaisons chimiques fortes, un peu comme celles des diamants, et en alignant les fibres à différents angles, la résistance d'un composant peut être renforcée exactement là où c'est nécessaire.

La structure résultante, bien que plus résistante que l'acier, est au moins 50 % plus légère, et également environ 30 % plus légère que l'aluminium. Il ne se corrode pas non plus. Mais dans le passé, le processus de production était coûteux, lent et à forte intensité de main-d'œuvre. Cela n'a peut-être pas trop d'importance lors de la fabrication d'avions de chasse ou de voitures de course de Formule 1. Mais même les constructeurs d'avions ont dû accélérer les choses et réduire les coûts lorsqu'ils ont commencé à fabriquer des avions de ligne en fibre de carbone.

De nos jours, la fibre de carbone représente environ la moitié du poids des avions tels que le Boeing 787 Dreamliner ou les Airbus A380 et A350. Les avions plus légers consomment moins de carburant et ont donc moins d'émissions. Ils peuvent également transporter plus de passagers et voler plus loin. Il y a aussi des économies dans la fabrication, car de grandes sections de l'avion peuvent être fabriquées en une seule fois au lieu d'avoir à assembler de nombreux panneaux d'aluminium plus petits. Les constructeurs d'avions ont trouvé des moyens d'accélérer une partie du processus de production, mais il est encore trop lent et coûteux pour les constructeurs automobiles à grand volume.

La réponse que BMW a proposée était un autre type d'usine et une nouvelle chaîne d'approvisionnement. Tout commence à Otake, au Japon, avec une joint-venture entre le groupe SGL, une autre société allemande, et Mitsubishi Rayon. Cela produit ce qu'on appelle un précurseur, un thermoplastique polyacrylonitrile, qui ressemble un peu à une ligne de pêche enroulée sur de grandes bobines. Ceci est expédié à travers le Pacifique jusqu'à Moses Lake dans l'État de Washington, le site d'une autre coentreprise, celle-ci entre BMW et SGL. L'emplacement a été choisi parce qu'il utilise de l'énergie hydroélectrique sans émission produite localement.

Tapis noir

Le précurseur passe par une série d'étapes de chauffage au cours desquelles il est carbonisé en filaments noircis d'environ 7 micromètres (millionièmes de mètre) de diamètre seulement. Quelque 50 000 de ces filaments sont regroupés en un fil plus épais et enroulés sur des bobines, un peu comme un fil dans une usine textile. Les câbles, comme on appelle les fils carbonisés, traversent ensuite l'Atlantique vers une autre joint-venture BMW-SGL, à Wackersdorf près de Munich. Ici, ils sont tissés en feuilles et superposés en piles qui ressemblent à des tapis.

Lorsque les piles arrivent à l'usine de Leipzig, elles sont chauffées et pressées en une "préforme" tridimensionnelle. Diverses préformes sont placées ensemble pour constituer de grandes structures, qui sont à nouveau pressées ensemble, mais cette fois de la résine est injectée dans le moule, collant et durcissant le composant final à l'intérieur de l'outil de presse. Cela se produit généralement en quelques minutes, bien que dans certaines usines aérospatiales, le durcissement puisse prendre la majeure partie de la journée et nécessite un four sous pression appelé autoclave. Des robots déplacent les pièces et les collent ensemble pour former la structure de carrosserie principale de la voiture. Plus loin le long de la chaîne de production, la carrosserie est couplée au module d'entraînement, qui comprend un châssis en aluminium, un moteur électrique, une batterie et d'autres composants.

M. Kranz s'attend à ce que la fibre de carbone soit utilisée plus largement dans les voitures, mais pense qu'elles contiendront toujours un mélange de matériaux. La nouvelle voiture de direction de la série 7 de BMW comprend désormais également des pièces en fibre de carbone. D'autres constructeurs automobiles commencent à utiliser le matériau, et Apple, qui a laissé entendre qu'il prévoyait de construire une voiture électrique, aurait discuté avec BMW de la construction en fibre de carbone. Anthony Vicari, analyste chez Lux Research, un cabinet de conseil de Boston, prédit que d'ici le milieu des années 2020, la fibre de carbone sera largement adoptée dans la construction automobile.

Mais pas sans bataille. Comme dans d'autres industries, les matériaux traditionnels s'améliorent également. Les fournisseurs d'aluminium développent de nouveaux alliages. "L'aluminium est le titulaire et ces gars-là poussent comme des fous ou ils perdront toute leur industrie", note Jean Botti, le directeur technique d'Airbus. Alcoa, l'un des principaux producteurs d'aluminium, développe un certain nombre d'alliages légers. L'un d'eux, Micromill, est plus facile et plus rapide à façonner en formes complexes. Ford a commencé à l'utiliser pour remplacer certains composants en acier de ses camionnettes F-150, l'un de ses modèles les plus vendus en Amérique.

Le résultat est que les fabricants se voient offrir un choix de matériaux plus large qu'auparavant, explique M. Botti. La fibre de carbone a fait des merveilles dans l'aérospatiale, estime-t-il, mais elle est largement utilisée dans les gros avions à long rayon d'action, dont seule une poignée pourrait être construite chaque mois. Pour accroître l'utilisation de la fibre de carbone dans les avions plus petits, les entreprises aérospatiales doivent accélérer la production et réduire davantage les coûts, mais "nous réfléchissons à de nouvelles techniques qui pourraient réduire considérablement le coût de la fibre de carbone". Airbus et Boeing prévoient tous deux d'augmenter la production de leurs avions court-courriers, respectivement les A320 et 737, à une soixantaine d'avions par mois pour répondre aux carnets de commandes. Néanmoins, prévient-il, les entreprises doivent toujours veiller à sélectionner le meilleur matériau pour un travail particulier. Si Airbus devait remplacer l'A320 par un nouveau modèle, dit-il, il devrait regarder attentivement pour voir si la fibre de carbone offrait la meilleure valeur dans un avion court-courrier.

Airbus développe également ses propres nouveaux matériaux. L'un d'eux est un alliage exclusif d'aluminium-magnésium-scandium appelé Scalmalloy. Il est particulièrement adapté à la fabrication de composants légers à haute résistance. Il est commercialisé par une filiale d'Airbus et équipe déjà certaines voitures de course. Sous forme de poudre, Scalmalloy peut également être utilisé dans une forme de fabrication révolutionnaire qui convient parfaitement au travail avec de nombreux nouveaux matériaux : la fabrication additive, communément appelée impression 3D.

La fabrication additive est un moyen parfait d'utiliser de nouveaux matériaux

LES CARMAKERS peuvent passer un an à construire un prototype fonctionnel pour une nouvelle voiture. La mise en place de machines pour une seule série de production est laborieuse et coûteuse, car une grande partie du travail est effectuée à la main. Mais les chercheurs du Tennessee ont un système automatisé connu sous le nom de BAAM (Big Area Additive Manufacturing). La plupart des gens l'appelleraient une imprimante 3D, bien qu'elle soit particulièrement grande, et elle est utilisée pour imprimer des voitures.

Les chercheurs travaillent au laboratoire national d'Oak Ridge, qui explore un certain nombre de méthodes de fabrication avancées. BAAM a été bricolé à partir de divers éléments de kit d'usine en partenariat avec Cincinnati Inc, une société de machines-outils. Dans une expérience, il a réalisé la majeure partie de la carrosserie et du châssis d'une réplique électrique d'une Shelby Cobra, une voiture de sport classique des années 1960. Les pièces imprimées qui sont entrées dans le véhicule ont été construites à l'aide d'un mélange de 80 % de polymère et de 20 % de fibre de carbone et ne pesaient que 227 kg. Il n'a fallu que six semaines à l'équipe pour concevoir, imprimer et assembler la voiture.

Quelques entreprises, comme Local Motors, une entreprise basée à Phoenix, utilisent des technologies additives pour fabriquer des séries limitées de voitures, mais l'impression 3D est encore trop lente pour les véhicules produits en série. Même ainsi, il fera rapidement partie de l'industrie automobile, explique Thom Mason, directeur d'Oak Ridge, non seulement pour le prototypage ou la personnalisation de véhicules, mais aussi pour la fabrication de moules, d'outils et de matrices. Cette activité avait été en grande partie délocalisée vers des pays à bas salaires. "Maintenant, nous pouvons imprimer ces choses du jour au lendemain", explique M. Mason.

Faire des choses avec des imprimantes 3D a captivé l'imagination du public. Ces dernières années, l'amélioration du matériel et des logiciels a transformé la technologie de base, vieille d'environ 20 ans, en un large éventail de processus différents. Ils reposent tous sur la constitution de couches de matériaux de manière additive, en utilisant des plastiques, des métaux, des céramiques et même des matières premières biologiques. Ces imprimantes vont des machines de bureau qui coûtent quelques milliers de dollars aux monstres imposants pour imprimer des pièces métalliques qui coûtent plus d'un million de dollars.

La taille de ce qui pouvait être imprimé dépendait de ce qui rentrerait dans la machine. Maintenant, certaines imprimantes, telles que BAAM, sortent des sentiers battus, pour ainsi dire. MX3D, une startup néerlandaise, prévoit d'imprimer une passerelle de 15 mètres (49 pieds) sur un canal, à l'aide de robots équipés d'un équipement d'impression en acier. Winsun, une entreprise chinoise, utilise un mélange à séchage rapide de ciment et de déchets de construction recyclés pour imprimer des sections préfabriquées de bâtiments, et Achim Menges de l'Université de Stuttgart imprime des brins de fibre de carbone pour créer des structures architecturales uniques telles que des pavillons (photo).

Unique en son genre

L'un des avantages de produire quelque chose de manière additive est que le matériau n'est déposé que là où il est nécessaire, il y a donc peu de déchets. Dans la fabrication traditionnelle, environ 80 % du matériau est coupé. De plus, le logiciel utilisé pour concevoir un produit peut également faire fonctionner l'imprimante. Et le logiciel est facile à modifier, de sorte qu'une conception différente peut être produite à chaque fois sans avoir à réinitialiser les machines. La technique se prête également à la réalisation de formes complexes dans de nouveaux matériaux qui peuvent conduire à des gains de performances spectaculaires. Et bien que l'impression 3D soit encore lente par rapport aux processus de production de masse tels que le pressage de l'acier et le moulage par injection de plastique, dans certaines industries, cela n'a peut-être pas trop d'importance.

"Les techniques additives vous offrent un tout nouveau degré de liberté", déclare M. Idelchik de GE Research. La société a dépensé 50 millions de dollars pour installer une installation d'impression 3D dans une usine d'Auburn, en Alabama, afin de produire des injecteurs de carburant pour le nouveau moteur à réaction LEAP qu'elle fabrique en partenariat avec Snecma, une société française. GE commencera par imprimer 1 000 buses par an, mais à terme le nombre pourrait atteindre 40 000. L'injecteur de carburant d'un moteur à réaction est une pièce complexe qui doit résister à des températures et à des pressions élevées. Normalement, il est composé de 20 composants différents. GE imprime plutôt la pièce en une seule fois, avec un laser fusionnant des couches d'un "super alliage" en poudre composé de cobalt, de chrome et de molybdène. La buse résultante est 25% plus légère et cinq fois plus durable que l'ancienne sorte, et les méthodes de fabrication conventionnelles n'auraient peut-être pas du tout été en mesure de faire face au matériau.

"La fabrication additive gagnera certainement beaucoup de terrain au détriment des procédés existants", déclare Henrik Runnemalm, responsable des moteurs chez GKN Aerospace, une société britannique. Certains des composants imprimés en 3D de GKN sont déjà présents dans les avions et les moteurs à réaction. La technologie est également utilisée parallèlement aux techniques traditionnelles. M. Runnemalm cite un exemple dans lequel un fin fil de matériau est fondu pour créer des formes sur un composant qui a été coulé de manière conventionnelle. Dans un autre processus encore, une imprimante 3D crée un composant dans sa "forme quasi nette" (proche de sa forme finale), qui est ensuite fini de manière conventionnelle avec des machines-outils.

La fabrication additive a encore beaucoup de potentiel, notamment parce qu'elle peut modifier les propriétés des matériaux au fur et à mesure. À Oak Ridge, les chercheurs travaillent à spécifier la structure cristalline d'un métal dans différentes parties d'un composant en ajustant la chaleur au fur et à mesure que les couches se forment, dans l'espoir d'obtenir des caractéristiques de performance différentes. "C'est totalement nouveau", déclare M. Mason. "C'est une de ces choses qui ne fait pas partie de notre vocabulaire de conception en ce moment."

L'impression 3D est capable d'encore plus. Les nanolaminés de Modumetal sont également produits par fabrication additive. Le processus se déroule près de la température ambiante, ce qui signifie que du métal pourrait être ajouté à une forme en plastique imprimée en 3D, créant des composites hybrides plastique-métal, explique Mme Lomasney. Et le processus pourrait fonctionner en sens inverse, dissolvant le métal d'un composant dans une solution afin qu'il puisse être réutilisé. "Nous ne nous sommes pas lancés dans le recyclage car les pièces ne nous sont pas encore retournées", explique Mme Lomasney, "mais en théorie, c'est possible". Avec de nombreux nouveaux matériaux, le recyclage peut devenir une exigence essentielle.

Bien que le recyclage devienne plus compliqué, un choix beaucoup plus large de matériaux transformera la fabrication

Les FABRICANTS subissent une pression croissante pour assumer la responsabilité du cycle de vie de leurs produits. Cela implique l'obligation de prendre en compte tous les effets énergétiques, environnementaux et sanitaires de chaque étape, depuis l'extraction des matériaux jusqu'à la production, la distribution et, éventuellement, le recyclage ou l'élimination. À mesure que les matériaux deviennent plus complexes, cela devient plus délicat.

La manière traditionnelle d'évaluer les effets qu'un nouveau matériau aura sur le reste du monde consiste à se fier aux éléments. Si quelque chose contient du plomb, par exemple, ce n'est probablement pas bon pour vous. S'il contient un peu de manganèse, il est probablement sans danger. "C'est tellement démodé", déclare M. Ceder de Berkeley. "Très souvent, ce que ces choses font à votre corps dépend de la forme, pas de la chimie."

Cela rend les nanoparticules particulièrement difficiles. De nombreuses recherches sont en cours sur leurs implications environnementales et sanitaires, mais la plupart ne sont pas concluantes. Une grande étude de cinq ans sur les nanoparticules menée par le Fonds national suisse de la recherche scientifique doit être publiée en 2016. Un exemple de ses travaux, en provenance d'Australie, illustre les préoccupations.

Étant une région très développée, l'Australie-Méridionale reçoit beaucoup de nanoparticules dans les produits, dont certaines sont lavées dans le système de drainage. C'est un endroit sec, une grande partie des eaux usées est recyclée et les eaux usées traitées sont utilisées pour fertiliser les champs. Cela a permis aux chercheurs des Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux d'étudier la région comme une sorte de système fermé. À partir de gisements sur le terrain et dans l'eau, ils ont calculé les quantités de quatre nanomatériaux qui finissaient dans l'environnement chaque année : 54 tonnes de nanodioxyde de titane (utilisé dans les crèmes solaires) ; 10 tonnes de nano oxyde de zinc (que l'on retrouve dans les cosmétiques) ; 2,1 tonnes de nanotubes de carbone (tubes creux utilisés à la place des fibres dans certains composites) ; 180 kilogrammes de nano-argent (à usage antibactérien) ; et 120 kg de fullerènes, une autre forme nano de carbone, constituée de sphères creuses appelées "buckyballs".

La destination finale de ces particules variait. Les nano-carbones sont restés incrustés dans les pièces dans lesquelles ils sont entrés, qui se sont retrouvés dans des dépotoirs. L'oxyde de zinc et l'argent ont été transformés chimiquement en composés normaux dans les stations d'épuration et ne semblaient donc pas présenter de risque. Mais le nanodioxyde de titane des crèmes solaires s'est envolé. Un peu plus de 5 % se sont retrouvés à la mer, le reste dans les champs. Dans sa forme normale, le dioxyde de titane n'est pas toxique (il est utilisé dans les dentifrices ainsi que dans les crèmes solaires), mais les chercheurs disent ne pas savoir quels seront les effets à long terme des versions nano, en particulier à des concentrations élevées.

Aller pointillé

Certaines nanoparticules ont sans aucun doute des effets néfastes. Certaines LED utilisent des points quantiques, de minuscules cristaux qui, lorsqu'ils sont excités par une source de lumière externe, brillent fortement, un processus appelé luminescence. Cela produit un éclairage plus riche et des couleurs plus vives dans les téléviseurs LED et autres écrans. Les points, cependant, sont souvent fabriqués à partir d'un composé de cadmium toxique. Cela fournit une incitation commerciale à proposer des matériaux plus sûrs.

Nanoco, une entreprise basée à Manchester, a développé des points quantiques sans cadmium. La Dow Chemical Company a autorisé la technologie pour fabriquer des points dans une nouvelle usine en Corée du Sud. Et Prashant Sarswat et Michael Free de l'Université de l'Utah ont créé des points quantiques à partir de carbone obtenu à partir de déchets alimentaires. Celui-ci est mis dans un solvant et chauffé sous haute pression. Le processus doit encore être étendu, mais comme les matières premières sont gratuites et relativement sûres, l'idée est prometteuse.

Pour les articles plus volumineux, les problèmes de fin de vie sont tout aussi difficiles et plutôt plus visibles. Airbus et Boeing ont des programmes de recyclage de leurs avions en fibre de carbone. Dans cette industrie, au moins les chiffres sont limités à quelques milliers, mais si les constructeurs automobiles devaient adopter la fibre de carbone à plus grande échelle, des millions de vieilles voitures à carrosserie en carbone devraient finalement être éliminées. Dans certains cas, le matériau peut être déchiqueté et utilisé dans des composants de qualité inférieure.

Le recyclage de matériaux exotiques pourrait devenir une nécessité. Certains éléments sont chers et difficiles à trouver ; ils peuvent ne provenir que d'une poignée de pays, comme la Chine, ce qui pourrait restreindre l'approvisionnement. D'autres, dont certaines terres rares, ne se trouvent pas en grande quantité et sont difficiles à exploiter. Ces substances sont de plus en plus utilisées dans les voitures électriques et hybrides. Au fur et à mesure de leur généralisation, de nouvelles méthodes de démantèlement et de valorisation des matériaux devront être trouvées.

Marion Emmert et HM Dhammika Bandara du Worcester Polytechnic Institute dans le Massachusetts ont mis au point une nouvelle méthode économe en énergie pour extraire les éléments de terres rares des voitures électriques, en particulier le néodyme, le dysprosium et le praséodyme. Ils ont découpé et déchiqueté le moteur et d'autres composants d'entraînement d'une Chevrolet Spark entièrement électrique et ont utilisé une méthode d'extraction chimique en deux étapes pour séparer les terres rares et d'autres matériaux utiles. La technologie, disent-ils, pourrait être utilisée pour d'autres produits contenant des moteurs et des aimants, tels que les éoliennes et les équipements d'imagerie médicale.

Certaines entreprises utilisent un processus appelé analyse du cycle de vie (ACV) pour déterminer les impacts environnementaux. "L'idée est d'évaluer, du berceau à la tombe, un produit ou un service", explique Christian Lastoskie, expert en la matière à l'université du Michigan. L'ACV était autrefois réalisée lorsqu'un produit était sur le marché depuis un certain temps et que de nombreuses données étaient disponibles. Maintenant, cela peut être fait à l'avance avec la modélisation informatique. Cela signifie faire et tester un certain nombre d'hypothèses sur un nouveau matériau ou procédé, mais l'analyse peut être un guide utile pour d'éventuelles préoccupations environnementales et aider une entreprise dans sa sélection de matériaux, explique M. Lastoskie.

Un projet sur lequel il a travaillé, avec le soutien de Sakti3, était une comparaison du cycle de vie des batteries lithium-ion conventionnelles et des batteries à semi-conducteurs. Les résultats, publiés en 2014 dans le Journal of Cleaner Production, suggéraient que même après avoir tenu compte des incertitudes sur les propriétés des cellules et l'efficacité du processus utilisé pour les fabriquer, l'utilisation de batteries solides dans les véhicules électriques réduirait la consommation d'énergie et réduirait le réchauffement climatique.

Tout cela conduit à la conclusion que la fabrication deviendra de plus en plus complexe et que les jours des usines "me-too", fabriquant des produits similaires à peu près de la même manière, sont comptés. Des processus tels que l'impression 3D rendent les économies d'échelle non pertinentes, permettant une production à faible volume et une personnalisation rapide. À mesure que les coûts de main-d'œuvre diminuent par rapport aux coûts de production totaux, il y a moins de pression pour déplacer la production vers les pays à bas salaires. Cela ne signifie pas que les entreprises étrangères renonceront à fabriquer des choses en Chine, mais qu'une plus grande partie de ce qu'elles fabriquent là-bas sera destinée aux Chinois.

Avec des coûts de calcul qui ne cessent de baisser, pouvoir modéliser le processus de fabrication et le cycle de vie d'un nouveau matériau ouvre des marchés à de nouveaux entrants avec de nouvelles idées. Il y a seulement une décennie, on pensait généralement que l'industrie automobile mondiale se regrouperait en moins d'une demi-douzaine de groupes parce que les barrières à l'entrée étaient si élevées. Maintenant, de nouveaux constructeurs automobiles apparaissent partout ; pas seulement Tesla et, peut-être, Apple, mais aussi de nombreuses petites entreprises spécialisées telles que Local Motors.

Les grandes entreprises, elles aussi, seront de plus en plus en concurrence en utilisant des recettes exclusives pour de nouveaux matériaux et des techniques de production personnalisées. "Si vous vous contentez de faire une excellente conception et d'utiliser un processus de fabrication que tout le monde peut utiliser, vous vous essoufflerez", déclare M. Idelchik de GE Research. "Mais si vous avez un processus de fabrication exclusif qui s'applique à des matériaux exclusifs, vous créez une différenciation concurrentielle durable."

Secrets commerciaux

M. Idelchik n'est pas le seul à être de cet avis. L'usine de BMW à Leipzig utilise des équipements industriels et des robots standard. Ce qui le rend spécial, c'est la connaissance intime de l'entreprise sur la façon exacte dont ses matériaux sont fabriqués et sur la façon de contrôler les processus qui les transforment en voitures. Cela va au cœur de la science des matériaux. "Nous pensons que nous sommes assez en avance sur nos concurrents parce que nous avons le développement complet du processus et des matériaux entre nos mains", déclare M. Kranz de BMW.

À l'avenir, davantage d'entreprises devront maîtriser leurs matériaux. Les jours d'essais et d'erreurs touchent à leur fin alors que de puissants outils de recherche fournissent des données scientifiques d'une profondeur sans précédent. La chute du coût de la puissance informatique rend ces informations accessibles aux entreprises de toutes tailles, tout comme les nouveaux processus de production, tels que l'impression 3D, transforment l'économie de la fabrication en quelque chose de plus léger et plus rapide.

Maîtriser la plus grande complexité des matériaux, ainsi que leur conception, leur ingénierie, leur production, leur chaîne d'approvisionnement et leur gestion du cycle de vie, nécessitera de nouvelles compétences et de nombreux talents entrepreneuriaux. Cela pourrait attirer plus de personnes dans une industrie qui essaie toujours de se débarrasser d'une image de moulins sataniques sombres. La fabrication entre dans une nouvelle ère. Edison aurait chaleureusement approuvé.