ENGINEERINGNET.BE - Les aimants permanents sont utilisés dans de nombreux secteurs et suscitent un vif intérêt auprès des entreprises, actives notamment dans l’aéronautique, l’aérospatiale, l’automobile, les transports, le ferroviaire, la défense et l’automatisation industrielle.
Les aimants durs conservent leur magnétisation et sont à l’origine d’un champ magnétique. À des températures élevées, les performances magnétiques des aimants NdFeB diminuent. De plus, une température trop élevée peut entraîner une perte irréversible de la puissance magnétique. Les matériaux magnétiques doux s’aimantent facilement sous l’effet d’un champ magnétique externe. Lorsque ce champ disparaît, il peut subsister une magnétisation résiduelle.
Aujourd’hui, les aimants frittés les plus puissants sont disponibles dans un nombre limité de formes fabriquées en série. « Sur le plan technique, il reste une grande marge de progression », déclare Setareh Gorji Ghalamestani. Elle est convaincue que des géométries plus créatives et complexes permettraient de résoudre de nombreux problèmes. Bref, des solutions sur mesure.
HardMagnet3D
L’impression 3D d’aimants requiert une convergence de compétences en science des matériaux, magnétisme, fabrication additive et intégration d’applications magnétiques. Sirris réunit l’ensemble de ces expertises au sein d’une équipe. Dans cette approche, la liberté de conception géométrique offerte par l’impression 3D est un atout majeur. « En adaptant la forme de l’aimant à son application finale, on peut optimiser les performances du système », explique Setareh Gorji Ghalamestani. Dans les machines électriques, par exemple, des géométries d’aimants optimisées permettent de mieux canaliser et répartir le flux magnétique dans l’entrefer. Cele contribue à atténuer les harmoniques indésirables ou le couple de cogging. La liberté de conception ouvre la voie à d’autres avantages.
Dans le cadre du projet HardMagnet3D, un modèle de démonstration d’une machine électrique à flux axial est en développement. Il intègre des aimants aux géométries complexes, conçus pour créer des canaux de refroidissement au sein du rotor. Ces derniers contribuent à limiter les hausses de température et à préserver les performances magnétiques, optimisant le fonctionnement de la machine.
Les aimants frittés au NdFeB sont les aimants permanents les plus puissants disponibles sur le marché. Leur production est concentrée en Chine. Dans le cadre du projet HardMagnet3D, Sirris se consacre à l’impression d’aimants NdFeB. À l’instar des procédés de frittage conventionnels, l’objectif est d’orienter les particules magnétiques au cours du procédé de fabrication. Cet alignement in situ permet d’optimiser la rémanence de la pièce imprimée. Après l’impression 3D, une étape de saturation magnétique ex situ est nécessaire pour aligner les domaines magnétiques. Cette opération est réalisée sur n banc d’aimantation industriel.
Aimants permanents liés
Les aimants NdFeB liés sont constitués d’un liant polymère ou caoutchouc. Ils sont moins puissants que les modèles frittés fabriqués sans liant et contenant une proportion plus importante de matériau magnétique. « Nous avons essayé d’incorporer des particules magnétiques dans un filament. Grâce à nos connaissances préalables, nous savions comment améliorer le procédé, quelles particules utiliser et dans quelles proportions », explique Guido Heunen, membre de l’équipe, qui poursuit le perfectionnement du procédé d’impression en laboratoire. À Charleroi, les travaux de recherche portent sur l’extrusion d’un filament de 1,75 mm de diamètre intégrant un liant polymère. Le matériau de base se présente sous forme de poudre. L’imprimante FDM (Fused Deposition Modeling) de Sirris possède un plateau d’impression de 30 cm sur 30 cm.
« Les aimants NdFeB frittés de haute qualité présentent une densité de flux magnétique rémanent d’environ 1,4 T. Avec nos aimants NdFeB liés, nous avons jusqu’à présent atteint près d’un tiers de cette valeur, sans aligner les particules magnétiques pendant l’impression. »
Le projet
Le projet HardMagnet3D s’inscrit dans le cadre de l’initiative CORNET (Collective Research Network), qui encourage les projets de recherche collective transfrontaliers destinés aux PME. Parmi les partenaires figurent l’Institut de recherche allemand FEM et Materia Nova en Belgique, chargé du revêtement de la poudre magnétique. Sirris assure la coordination. Le financement vient des régions : Wallonie Recherche SPW et le DLR allemand. L’approche ‘ascendante’ est caractéristique de ce projet. La recherche est menée à la demande des PME participantes : ce groupe d’utilisateurs fournit un retour d’information aux chercheurs et oriente les travaux en fonction des défis concrets.
Poudre magnétique
Tout commence par la poudre magnétique, dont l’approvisionnement est un défi pour les chercheurs. La poudre magnétique ‘vierge’ vient de Chine ou de matériaux récupérés. La Chine a instauré un embargo sur la ‘poudre roulante’, ce qui la rend rare sur le marché, tandis que sa qualité est variable. Le néodyme peut être récupéré à partir d’aimants présents dans des appareils et composants en fin de vie. Les générateurs d’éoliennes et les disques durs en sont deux exemples. « Nous construisons un écosystème couvrant l’ensemble de la chaîne de valeur des aimants, en Belgique et dans le reste de l’Europe », indique Setareh Gorji Ghalamestani. Certaines pièces du puzzle sont en place, y compris en Belgique. Il existe un partenaire pour la magnétisation et la caractérisation des aimants. « En revanche, nous n’avons pas de partenaire adéquat en Belgique pour fournir de la poudre issue d’aimants recyclés. »
Electron Beam Melting
Dans le cadre du projet HardMagnet3D, des chercheurs du FEM, en Allemagne, utilisent la technologie SLM (Selective Laser Melting) sur lit de poudre. À Seraing, Sirris dispose d’une nouvelle imprimante EBM (Electron Beam Melting) qui permet d’imprimer du néodyme-fer-bore (NdFeB) pur sur un plateau de 10 cm de diamètre, sans recourir au liant polymère. L’aimant est fabriqué couche par couche à partir d’une poudre d’alliage NdFeB démagnétisée. Comme pour la fabrication d’aimants liés au moyen de filaments chargés de particules magnétique (Fused Deposition Modelling), une magnétisation ex situ est nécessaire après l’impression 3D.
À la fois attractifs et complexes
Les aimants constituent un sujet stratégique. Ils jouent un rôle essentiel dans notre société technologique, mais leur chaîne d’approvisionnement représente un défi. Plus de 90% de l’offre provient de Chine, qui exerce un contrôle étroit sur les flux et impose des restrictions à l’exportation de terres rares dans le cadre de sa stratégie géopolitique. Face à la transition énergétique, la dépendance de l’Europe ne peut que s’accentuer alors que la demande ne cesse d’augmenter. Les aimants sont présents dans les capteurs, les moteurs électriques (moteurs linéaires), les pompes, les véhicules électriques, les éoliennes, les tomographes, les scanners IRM, les disques durs, les haut-parleurs, les casques audio, les lasers, etc.
Les aimants au néodyme-fer-bore figurent parmi les aimants permanents les plus puissants. Ils sont généralement constitués d’un alliage contenant également entre 2 et 11% de dysprosium, un élément essentiel qui augmente leur température de fonctionnement et renforce la résistance à la démagnétisation.
La demande en terres rares, dont le néodyme (Nd), devrait augmenter de 600% d’ici 2030. L’UE investit dans la recherche afin de réduire cette dépendance. La loi européenne sur les matières premières critiques (2024) répertorie 34 matières premières critiques dont 17 considérées comme stratégiques, dont l’aluminium, le cuivre, le magnésium et le titane, ainsi que le lithium, le cobalt, le nickel, le gallium et les terres rares telles que le dysprosium et le néodyme. D’ici 2030, l’UE entend assurer au moins 10% de l’extraction, au moins 40 % de la transformation et au moins 25% du recyclage de sa consommation annuelle. De plus, elle veut s’assurer qu’au maximum 65 % de cette consommation annuelle provienne d’un seul pays tiers.
