VULCAIN

Les évolutions technologiques, que ce soit dans le domaine des procédés de fabrication ou dans celui des nouveaux matériaux, permettent d’envisager des solutions nouvelles en termes de systèmes de conversion de l’énergie électrique. En particulier, la fabrication additive ouvre des perspectives de conceptions originales, notamment grâce à la conception par optimisation topologique; mais encore faut-il assurer les performances des composants ainsi produits. En effet, leurs propriétés physiques (magnétiques, conductrices et/ou isolantes) sont primordiales pour assurer l’efficacité du processus de conversion d’énergie.

Les procédés de fabrication additive, qui consistent le plus souvent à fabriquer une pièce par dépôt de couches successives, sont historiquement étudiés pour des applications mécaniques. En génie électrique, en plus des propriétés mécaniques, les pièces doivent aussi répondre à des critères de performances électriques, magnétiques ou encore diélectriques. Ainsi, grâce à la diversification des procédés (laser sur lit de poudre, dépôt direct par fusion de matière, dépôt de fil fondu …) et des matériaux imprimables (métaux, polymères, céramiques…) il est maintenant possible d’envisager l’extension de ces procédés à la fabrication de pièces et/ou de composants pour le génie électrique.

On peut citer, par exemple, l’impression 3D de pièces ferromagnétiques qui est étudiée dans la littérature depuis une dizaine d’années seulement. L’objectif est le plus souvent d’obtenir une pièce avec des propriétés ferromagnétiques pertinentes pour un usage en génie électrique. Ces propriétés, perméabilité magnétique élevée et pertes fer réduites, ne sont pas nécessairement assurées en sortie direct du procédé de fabrication. Très souvent, des étapes supplémentaires (déliantage, frittage, recuit …) sont nécessaires pour obtenir des propriétés magnétiques optimales.

De plus, d’autres types de matériaux tels que les conducteurs ou les isolants sont disponibles. Le but pour les matériaux conducteurs est souvent un simple transport d’électricité sans puissance, par exemple à base de graphène pour de la petite électronique avec une résistivité élevée. Néanmoins depuis quelques années des matériaux à base d’aluminium ou de cuivre existent pour l’impression 3D et sous différentes formes (filament / granulés / poudre), avec une conductivité plus intéressante pour nos applications. De même que pour les pièces ferromagnétiques, quelques étapes supplémentaires sont parfois nécessaires pour obtenir le produit fini.

Les techniques de polymérisation par UV apparaissent avec des solutions simples et économiques, l’avantage de ces solutions est la précision d’impression grâce à l’absence de dilatation thermique pendant la fusion des couches. Ce procédé permet d’obtenir des prototypes utilisés dans le milieu médical, mais également pour des modèles réduits d’architectures précises. L’utilisation première de ces techniques n’est pas directement liée à l’isolation des conducteurs, mais peut être dérivée pour l’usage en génie électrique.

Au niveau national, peu d’équipes se sont investies sur cette thématique qui reste encore très ouverte de par la multiplicité des techniques de fabrication additives existantes et, surtout, la maîtrise des procédés associés n’est pas encore au point pour produire des pièces d’une qualité proche de celle (voire meilleure !) offerte par les procédés conventionnels. A cela s’ajoute l’évolution continue des procédés qui rend la tâche difficile puisque ce qu’il n’est pas possible de réaliser avec un procédé aujourd’hui peut le devenir d’ici quelques années. Enfin, l’autre difficulté a trait bien évidemment à la nature pluridisciplinaire de cette thématique : une telle activité de recherche ne peut être menée efficacement qu’en collaboration étroite entre chercheurs dans les domaines du génie électrique, des matériaux et des procédés.

Par ailleurs, il existe peu de propositions scientifiques pour réduire les courants induits dans des pièces magnétiques fabriquées additivement pour la réalisation de composant du génie électrique. Trouver des formes pour la fabrication additive permettant de réduire les courants induits est donc un enjeu important. La fabrication additive offre de nouvelles possibilités pour concevoir, notamment grâce à la répartition de la matière dans un volume. Nous souhaitons explorer cette possibilité avec les outils d’optimisation topologique.

Ainsi, l’objectif du projet est de faire un état des lieux du potentiel des différentes procédés de fabrication additive présents sur le territoire des Hauts-de-France pour l’impression des matériaux du génie électrique. D’une part, les performances « matériaux » seront évaluées au regard des contraintes de fonctionnement rencontrées dans les dispositifs de conversion d’énergie (induction, fréquence, température …). D’autre part, et afin de tirer profit des possibilités offertes par l’impression 3D, une approche de conception basée sur l’optimisation topologique sera également mise en œuvre pour le développement d’un composant « Proof of Concept » (PoC) afin de comparer les performances d’usage issues des différents procédés de fabrication additive. Ces deux axes feront l’objet de deux « Work Pakages » (WP) : l’un ayant pour but d’évaluer les performances des matériaux issus des procédés de fabrication additive et l’autre dédié à la conception par optimisation topologique du composant PoC (aspects géométrique et matériau).

Le composant PoC visé dans ce projet est une inductance de lissage à entrefer (Cf. Annexe 1). Les matériaux utilisés en impression seront caractérisés pour évaluer leurs propriétés. Plusieurs procédés d’impression seront comparés sur les matériaux magnétiques, à savoir la technologie Fusion Laser sur Lit de Poudre (en anglais Laser Powder Bed Fusion, LPBF) (Roberval-LERMPS), la technologie PIM-like de dépose de matière fondue (L2EP) et la technologie Binder-Jetting de projection de liant (LTI). Un travail d’optimisation des paramètres de fabrication et de post-traitements (déliantage et frittage) sera mené afin de réduire la porosité inhérente à certains procédés. Le projet met l’accent sur la réduction des courants induits dans le circuit magnétique, par une modélisation et des optimisations de motifs. Un travail d’optimisation topologique de répartition de matière entre 2 matériaux de perméabilité magnétique différente est également prévu. L’objectif est de trouver une forme pour l’inductance non saturable sans la présence de l’entrefer.

Du point de vue des isolants, l’objectif est de tester des matériaux isolants classiques polymérisables par UV à partir de la technique SLA (Stéréolithographie). Les objets testés auront une classe de température allant jusque 180°C. Quelques résines polymères sont déjà disponibles sur le marché, la première étape sera de les tester et de les comparer. L’idée est de démarrer notre étude à partir d’une base bien maitrisée et de monter en compétences avec d’autres types de solutions (type sol gel avec de l’extrusion ou à base d’éléments micro ou nano chargés). Le verrou technologique à lever sera sur la forme à isoler ainsi que le sens d’impression (angle d’impression différents 0°, 45° ou 90°). L’objet de test peut être proche de la forme d’un busbar.

Concernant les matériaux conducteurs, les nombreux procédés disponibles seront testés, afin de comparer l’impression de cuivre voire d’aluminium. L’objectif est de quantifier les différences de performances sur un objet de test commun, par exemple une éprouvette de traction. Les technologies MiM ou Laser, avec l’étape de déliantage, seront comparées avec le FDM en réalisant des tests similaires à ceux effectués sur les matériaux magnétiques. L’étape suivante sera de comparer les échantillons imprimés avec du fil conventionnel à partir d’essais d’impédance, de décharges partielles et de claquage.