Vers la modernisation tant attendue des moyens de production de céramique
La céramique fut l’un des premiers matériaux que nos ancêtres ont su maitriser et transformer en carreaux de céramique, en poterie et en briques d’argile. Avec l’acquisition de tout ce savoir-faire (les premières figurines humaines et animales en argile étant apparues vers 24 000 av. J.-C.) on pourrait presque penser que les céramistes actuels utilisent des procédés raffinés ayant des défauts minimes, sinon inexistants. C’est loin d’être le cas. Au lieu de s’améliorer avec le temps et l’expérience, la façon dont les céramiques sont produites n’a pas beaucoup changé. Elles sont toujours obtenues grâce à un procédé appelé formage (durant lequel les poudres inorganiques, avec ou sans eau, sont façonnées dans la forme du produit souhaité) suivi d’une cuisson à haute température, généralement au-dessus de 1 000°C. «Ces deux étapes sont déterminantes pour les propriétés mécaniques et la qualité du produit final, mais aujourd’hui encore, la transformation et la conception de la céramique reposent essentiellement sur des essais et des erreurs », explique le professeur Andrea Piccolroaz, coordinateur du projet CERMAT2 (New ceramic technologies and novel multifunctional ceramic devices and structures). «Il résulte de cette approche un taux de rejets extrêmement élevé, ce qui affecte non seulement les coûts de fabrication, mais aussi la pérennité de l’industrie céramique. Il n’est pas si étonnant que l’industrie céramique soit l’une des plus consommatrices en énergie et à l’origine d’une grande partie des émissions de gaz à effet de serre et de polluants». CERMAT2 ne vise pas moins qu’une révolution, qui verrait l’industrie céramique renoncer à ses méthodes archaïques au profit d’une approche beaucoup plus rationnelle et scientifique. Cette approche, fondée sur une modélisation mécanique non linéaire avancée, impliquerait une modélisation mathématique constitutive des matériaux céramiques, une analyse expérimentale, une caractérisation et une simulation numérique avec la méthode des éléments finis. Quel est le but? L’optimisation de la conception grâce à l’utilisation du prototypage virtuel (sous lequel la conception est validée in silico à l’aide d’un logiciel d’ingénierie assisté par ordinateur sans faire usage d’un prototype physique). «Nous avons développé avec succès cette méthode, et nous avons à présent livré les programmes numériques et les logiciels pour la conception optimale des matériaux céramiques à nos partenaires industriels», déclare avec enthousiasme le professeur Piccolroaz. «Il ne s’agit pas seulement d’une avancée dans notre connaissance des matériaux céramiques, mais aussi d’un bond en avant dans la conception mécanique de la céramique.» Le professeur Piccolroaz garantit aux industries qui souhaitent changer leurs habitudes une réduction significative des coûts de fabrication grâce à l’utilisation du prototypage virtuel. De plus, les logiciels développés dans le cadre de ce projet permettront de prédire les propriétés mécaniques des créations finales, ce qui devrait avoir un effet considérable sur la réduction des défauts et, partant, la réduction des rejets. Si CERMAT2 a pris fin en octobre 2017, les travaux se poursuivent depuis lors. L’un des objectifs du projet consistait à former une nouvelle génération de jeunes chercheurs en mécanique de solides non linéaire avancée et à la mise en œuvre numérique, avec des applications dans la production de céramique. Certains de ces chercheurs ont déjà créé une start-up prospère, en vue de développer et de vulgariser les méthodes CERMAT2 dans l’industrie céramique. «Nous poursuivrons notre collaboration avec ces chercheurs, afin de faire de notre nouvelle technologie la nouvelle norme en matière de production de céramique», conclut le professeur Piccolroaz.
Mots‑clés
CERMAT2, céramiques, industrie, prototypage virtuel, coût de production, rejets
