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Un nouveau procédé pour tenir les promesses des nano-matériaux sophistiqués

Les nanotechnologies et les nano-matériaux changent de nombreux produits, et leur marché devrait atteindre 2 600 milliards de dollars. Cette croissance passe par une meilleure fabrication en masse de micro-composants, et c'est dans cette optique qu'a travaillé le projet MICRO-FAST, financé par l'UE.
Un nouveau procédé pour tenir les promesses des nano-matériaux sophistiqués
Lors de la dernière décennie, la fabrication de composants et l'équipement associé se sont miniaturisés, avec des tailles moyennes passant du format miniature (< 50 mm) au format micro (<1 mm) voire sub-micro (0,1 à 1 mm). Cependant, les techniques classiques de fabrication, d'usinage et de formage limitent la gamme de matériaux utilisables, ce qui empêche d'utiliser de nouveaux outils et composants, et donc de commercialiser de nouveaux produits.

Le projet MICRO-FAST, financé par l'UE, s'est attaqué à ce problème en mettant au point une toute nouvelle technique de fabrication en masse et à faible coût de pièces microscopiques, de haute qualité et de forme quasi-définitive, à partir d'une large gamme de poudres (alliages de métaux, composites, céramiques et polymères).

Un tout nouveau procédé de micro-fabrication

Les chercheurs de MICRO-FAST ont constaté qu'il ne suffisait pas de réduire l'échelle de la méthode de frittage FAST (Field Assisted Sintering Technique). Ils ont donc mis au point un tout nouveau procédé de fabrication de pièces à l'échelle microscopique (<5 mm).

Les chercheurs ont conçu des techniques adaptées à un fonctionnement à haute température, et soumis les outils de micro-formage à un traitement de surface perfectionné. Ils ont aussi mis au point des poudres nanostructurées, métalliques et céramiques, améliorant la qualité et les propriétés des pièces 'en masse' réalisées par des techniques classiques. Comme l'explique le professeur Yi Qin, chef du projet: «Nous avons utilisé la technique FAST pour fritter un micro-composant à partir d'une poudre, en appliquant au moule rempli de poudre une pression et un courant électrique contrôlé.» Le passage du courant électrique dans les particules de poudre améliore l'électro-plasticité, donc la densité des pièces et la complexité de leur forme, sans nécessiter une température élevée pendant une longue durée.

Les chercheurs de MICRO-FAST ont conduit une évaluation du cycle de vie, constatant qu'ils avaient atteint quasiment une densité totale pour les pièces frittées, avec 98 % pour des poudres de titane et d'acier, et près de 96 % pour des céramiques. Ils ont aussi noté une réduction des rejets, principalement grâce à l'usage de poudres «prêtes à presser» qui se passent de liants et de solvants. Les chercheurs ont aussi découvert que la consommation d'énergie était réduite de 20 à 30 % par rapport au frittage classique, grâce à l'intégration du système et à la réduction des étapes de production. En outre, la température de frittage inférieure d'environ 20 % aux méthodes classiques, associée avec un chauffage et un refroidissement rapides, accélère la production et apporte des économies d'énergie.

Les coûts d'ensemble ont aussi été réduits. Comme le souligne le professeur Prof Yi Qin: «MICRO-FAST autorise une production en une seule étape, évitant la longue durée du mélange du liant et de son élimination, processus habituels des techniques classiques de métallurgie des poudres. Ceci réduit encore les coûts d'ensemble.» En outre, le chiffre d'affaires annuel des PME participantes et impliquées dans la fabrication de machines, la production d'outils et la fabrication de poudres, devrait augmenter d'environ 10 % dans les trois ans après la fin du projet.

Façonner l'avenir de l'innovation produit

Le système de fabrication proposé par MICRO-FAST est le premier de son genre, il devrait donc soulever un intérêt notable. Le professeur Yi Qin conclut: «Un système unique de fabrication a des avantages évidents en termes de coût, de durée de production et de travail manuel, sans oublier que son impact sur l'environnement est systématiquement réduit.» Par ailleurs, le projet a mis au point plusieurs poudres de haute qualité, qui permettront de mieux contrôler le processus de frittage, réduisant l'usure des outils et les rejets, et améliorant le rendement et la qualité des produits (avec un meilleur contrôle des dimensions et un meilleur fini de surface).

À terme, la possibilité d'utiliser des matériaux difficiles à mettre en forme ou à usiner, pour fabriquer des micro-composants innovants et de haute qualité (par exemple biocompatibles ou magnétiques), sera un réel avantage pour les secteurs de fabrication de l'UE qui veulent acquérir une avance technologique et commerciale

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Mots-clés

Nanotechnologie MICRO-FAST, fabrication de micro-composants, pièces microscopiques, évaluations du cycle de vie, poudres, système unique de fabrication, innovation produit