Comment l'Institut Fraunhofer ILT transforme les processus industriels avec la lumière de synchrotron
Dans l'équipe interdisciplinaire « Laser Meets Synchrotron » au Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) à Hambourg, l'Institut Fraunhofer pour la technologie laser ILT et la RWTH Aachen – Chaire de technologie laser collaborent étroitement ; ils recherchent des questions scientifiques fondamentales à partir desquelles des innovations industrielles émergent. Le consortium comprend, en plus des deux partenaires, l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg, l'Université de Stuttgart, l'Université technique d'Ilmenau ainsi que l'Université technique de Vienne.
Le chef de projet Christoph Spurk de la RWTH Aachen coordonne le transport ainsi que l'installation des équipements, des lasers et des composants optiques et répartit les tâches entre des spécialistes des domaines de la physique, de l'informatique, des sciences des matériaux et de l'ingénierie mécanique. L'équipe de recherche fonctionne en trois équipes de nuit 24/7 et réalise en sept jours un total de 700 expériences différentes. Celles-ci pénètrent les processus laser industriels tels que le soudage, le perçage et la découpe dans le but de mieux comprendre les propriétés et le comportement des matériaux et finalement d'optimiser les processus.
« Grâce à la lumière de synchrotron, nous pouvons visualiser en temps réel des processus laser réalistes au DESY, observer des capillaires de vapeur, des mouvements de fusion ou la formation de pores », explique Spurk.
Précision en temps réel : Processus laser optimisés pour l'industrie et la recherche
Les résultats de recherche montrent qu'une adaptation ciblée des réglages du laser permet une réduction significative des fissures de tension, minimise la porosité et augmente la conductivité électrique. Les capillaires de vapeur et les mouvements de fusion, qui entraînent souvent des défauts, ont été visualisés pour la première fois avec une haute résolution, ce qui permet d'optimiser les processus de soudage pour les batteries haute performance.
Avec leur brillance et leur intensité exceptionnelles, la lumière de synchrotron permet des études avec une résolution au niveau micro et même nanométrique, offrant un aperçu des structures matérielles les plus fines et des processus dynamiques. Les systèmes optiques focalisent le rayonnement laser sur les matériaux ; pour la visualisation, des caméras à haute vitesse sont utilisées, atteignant des taux d'images allant jusqu'à 50 000 images par seconde – Spurk et son équipe travaillent déjà sur un système qui devrait atteindre 200 000 Hz à l'avenir. Pour la visualisation du contraste de phase, l'équipe utilise des scintillateurs qui convertissent les rayons X en lumière visible.
Si le contraste est encore trop faible, les chercheurs ajoutent des particules de tungstène ou de carbure de tungstène au matériau. Les particules apparaissent dans les images sous forme de points noirs et fournissent des informations sur le mouvement de fusion.
Dans le secteur automobile, l'aéronautique, la technologie de l'hydrogène ou la microélectronique, par exemple, le soudage sans défaut des connexions en cuivre ou en aluminium est essentiel, cela vaut également pour les connexions métalliques et plastiques. Ce n'est qu'avec la visualisation en temps réel que les plus petits défauts matériels peuvent être identifiés, qui ne seraient pas visibles avec des méthodes conventionnelles.
Connexions matérielles innovantes : Nouvelles perspectives pour la mobilité électrique, l'aéronautique et la microélectronique
« L'étude de combinaisons de matériaux complexes comme les connexions cuivre-aluminium est extrêmement importante pour la mobilité électrique, où elles sont utilisées dans des batteries haute performance et d'autres composants critiques », explique Dr. Alexander Olowinsky, chef de département Soudage et Séparation à l'Institut Fraunhofer ILT. « Grâce aux données obtenues au DESY, de telles connexions peuvent être fabriquées avec une résistance et une fiabilité accrues. Dans le domaine de la construction légère, nous examinons également d'autres processus de structuration et les résultats sont directement intégrés dans le développement de nouvelles technologies. »
La lumière de synchrotron permet de détecter précocement les fissures de tension et les structures indésirables dans les connexions aluminium-titane dans l'industrie aéronautique et d'optimiser le processus de fabrication. De plus, le soudage laser par pulvérisation de superalliages à base de nickel, par exemple pour les pales de turbine, est amélioré grâce aux prises de vue à haute vitesse. En microélectronique, des processus de connexion de haute précision sont indispensables. L'analyse des mouvements de fusion dans des pistes de cuivre ultrafines aide à éviter les courts-circuits et l'usure des matériaux, ce qui est particulièrement important pour la production de semi-conducteurs et de circuits imprimés.
Des Big Data aux Smart Data : Analyses précises pour des innovations industrielles
L'expertise des partenaires « Laser Meets Synchrotron » joue un rôle clé dans l'utilisation de cette technologie. Les données obtenues nécessitent des analyses spécialisées, qui ne sont possibles qu'avec un savoir-faire solide et des logiciels dédiés – l'équipe de recherche revient avec jusqu'à 50 téraoctets de données dans les instituts.
« Notre force ne réside pas seulement dans la réalisation de ces expériences, mais surtout dans la compréhension et l'interprétation des résultats, dans la préparation et l'exploitation des données complexes », explique Christoph Spurk. « Nous transformons les Big Data en Smart Data. » Cela n'est possible qu'avec l'orientation interdisciplinaire de l'équipe ; c'est ainsi que les données obtenues au synchrotron peuvent être mises en pratique.
Le bénéfice économique pour les clients et partenaires va bien au-delà des optimisations de processus : Les données et les connaissances obtenues constituent la base de modèles commerciaux entièrement nouveaux, par exemple dans le domaine du développement de matériaux basé sur les données. Ainsi, les entreprises peuvent développer des matériaux sur mesure pour des applications spécifiques grâce aux résultats d'analyse précis, ce qui leur confère un avantage concurrentiel décisif. Des entreprises comme Audi, Bosch Research et Denso ont pu rendre leurs processus de production plus efficaces et réduire les cycles de développement grâce à la coopération.
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