Un procédé d’imagerie à l’Institut Paul Scherrer permet au site argovien d’ABB d’augmenter sa production

Villigen, 12.02.2018 - Le site ABB de Wettingen, en Argovie, a reçu des recommandations concrètes pour augmenter sa production de composants céramiques. Les céramiques en question sont des résistances électriques non linéaires. Ces varistances sont utilisées dans les limiteurs de surtension – une sorte de parafoudre – qui équipent par exemple les lignes de transmission. Un procédé d’imagerie neutronique bien établi à l’Institut Paul Scherrer PSI a permis d’analyser les modifications que subit le matériau lors de la production, au moment de la cuisson. Ces analyses ont été conduites dans le cadre d’une étude de faisabilité qui a bénéficié du soutien du Hightech Zentrum Aargau. Les radiographies neutroniques obtenues ont permis aux collaborateurs d’ABB d’identifier le potentiel restant d’optimisation des processus.

Dans le cadre d'une collaboration, des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer, des ingénieurs de l'entreprise technologique ABB et des scientifiques du centre de recherche d'ABB ont analysé des composants haute performance en céramique. Leur étude de faisabilité a été conduite au PSI et a duré trois mois (d'octobre à décembre 2017). Son objectif était de mieux comprendre les processus qui se jouent durant la fabrication de ces composants céramiques. Ces derniers sont produits sur le site d'ABB à Wettingen, en Argovie. Grâce aux résultats de l'étude, ABB dispose désormais d'une base solide pour augmenter sa production de composants céramiques sans altération de la qualité. La séance de clôture de l'étude de faisabilité aura lieu le 14 février 2018.

Pour leur analyse des composants céramiques, les chercheurs du PSI ont misé sur un type bien particulier de contrôle qualité: ils ont recouru à un procédé d'imagerie avec des neutrons qui n'est disponible que dans quelques instituts de recherche dans le monde. Cette méthode d'imagerie est solidement établie au PSI et permet de visualiser l'intérieur des matériaux et des composants sans les endommager. Dans le cas des céramiques, les chercheurs du PSI ont utilisé l'imagerie neutronique pour analyser les changements que subit le matériau durant la cuisson de la céramique.

Radiographier des céramiques haute performance avec des neutrons

Les composants céramiques fabriqués à Wettingen sont ce qu'on appelle des varistances: des résistances électriques non linéaires qu'on utilise dans le domaine de la haute et moyenne tension, par exemple pour équiper les lignes de transmission qui vont des centrales aux installations de distribution. Les varistances protègent la ligne des surtensions, dues par exemple à la foudre. Les varistances cylindriques fabriquées à Wettingen ont à peu près la taille d'un puck de hockey sur glace. Elles sont réalisées dans une céramique spéciale à base d'oxyde de zinc. L'une des étapes de production nécessite de chauffer à 1200°C les composants dans un four spécial. Les varistances d'ABB Wettingen se caractérisent par leur haut niveau de qualité et leur fiabilité, ce qui leur permet d'être compétitives à l'échelle mondiale. Dans l'idée d'augmenter la production et de maintenir cette compétitivité à l'avenir également, les collaborateurs d'ABB ont voulu savoir dans quelle mesure il était possible d'augmenter le nombre de varistances susceptibles de cuire simultanément dans le four sans que cela n'entraîne une altération de la qualité. «Grâce à nos radiographies neutroniques de différentes varistances issues de plusieurs séries de tests bien particulières, nous avons réussi à répondre à cette question», explique Christian Grünzweig, chercheur au PSI.

L'étude de faisabilité a duré trois mois. Elle a bénéficié d'un subside de 20 000 francs suisse alloués par le Hightech Zentrum Aargau dans le cadre de l'encouragement à l'innovation des entreprises argoviennes. «Le PSI, ABB et le Hightech Zentrum Aargau ont joint leurs forces pour ce projet, se réjouit Christian Grünzweig. Nous avons ainsi fait la démonstration du ‘power of Aargau'.» En plus de l'étude de faisabilité, les chercheurs du PSI et les collaborateurs d'ABB ont collecté d'autres données qui déboucheront sur une publication scientifique.

Les neutrons permettent de visualiser les liants céramiques

L'imagerie neutronique au PSI s'est avérée avantageuse comme procédé d'analyse, car les atomes d'hydrogène font subir aux neutrons une déviation particulière de leur trajectoire rectiligne, si bien que l'hydrogène apparaît sous forme de contraste sur la radiographie neutronique. Les varistances céramiques sont fabriquées à partir d'un mélange sec de poudres qui est mélangé à un liant liquide. Or ce dernier contient de l'hydrogène. De ce fait, les neutrons permettent de bien visualiser la répartition du liant dans la céramique.

Lorsqu'on chauffe les composants céramiques, ce liant cuit. «Nos radiographies neutroniques ont permis de bien mettre en évidence avec quelle qualité et quelle régularité la cuisson fonctionnait, relève David Mannes, qui mène cette recherche avec Christian Grünzweig au PSI. Comme nous avons examiné des varistances de différentes séries de test, qui avait été cuites dans un four plus ou moins rempli, nous avons réussi à identifier sans équivoque à partir de quelle densité de chargement la qualité des varistances commençait ou non à se dégrader.» Et Michael Hagemeister, chef du groupe recherche et développement à ABB Wettingen d'ajouter: «Cette base de données nous a finalement permis de déterminer combien de varistances nous pouvions cuire en même temps dans notre four sans que leur qualité en pâtisse.»

Texte: Institut Paul Scherrer/Laura Hennemann

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 380 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l’Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

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