Édito

Chers amis lecteurs et lectrices, le mois de Décembre arrive enfin avec son parfum de fêtes, de rêves enfantins et, cette année, cet automne qui n’en finit pas de douceur et de nuances de jaune.

Cette dernière newsletter de l’année suit de près notre journée anniversaire des 10 ans du label Carnot d’ICÉEL, fêtée le vendredi 30 novembre. Merci à tous les participants et intervenants qui ont fait un succès de cette journée, plus de 100 personnes !

Cette journée nous a permis d’échanger sur de nombreux sujets qui ont nourri ces 10 années de travail et de ressourcement partagés, pour mémoire plus de 330 projets scientifiques et technologiques financés. Ensemble, nous avons pu revisiter plusieurs réalisations marquantes, événements et partenariats industriels … et surtout nous projeter sur les années à venir (cf : article).

Ce mois-ci, le focus est fait sur le  CRITT Bois d’Épinal enraciné sur le Campus de l’ENSTIB où il est entouré de partenaires de renom, IJL, LERMAB, CETELOR, et où il est aussi acteur de la vie étudiante. Référence nationale dans le domaine du Bois, Cette newsletter vous propose une immersion dans ses trois pôles d’excellence, la chimie bio-sourcée, l’ingénierie numérique et la construction durables. Ces activités ont permis au CRITT de développer de nombreux partenariats académiques et industriels.

Nous vous proposons également de revenir sur 2 projets de R&D financés par l’appel à projets du Carnot : l’un traite de l’utilisation des polymères dans les domaines de la cosmétique et de l’alimentaire, tandis que le second vous permettra de mieux comprendre la problématique associée aux bactéries toujours plus résistantes aux antibiotiques, deux enjeux majeurs pour notre santé.
Dans le dernier article, Christophe SCHWARTZ, directeur du laboratoire LSE, reviendra sur le partenariat conclu avec la société SCE dans le but de développer un outil d’aide à la décision pour développer l’agriculture urbaine, l’une des thématiques majeures de ses équipes.

En attendant de vous revoir en 2019, nous vous souhaitons au nom de toute l’équipe ICÉEL de joyeuses fêtes de fin d’année.

Conseil du jour : Suivez notre site web de près… des nouveautés arrivent en 2019 !

Focus CRITT Bois

Créé en 1986 pour accompagner les entreprises de la filière Bois dans leur développement, le CRITT Bois est implanté sur le campus Bois. L’équipe compte aujourd’hui 12 personnes et travaille en étroite collaboration avec les acteurs présents sur le site: ENSTIB (Ecole Nationale Supérieure de Technologies et Industrie du Bois), les centres de recherche (LERMAB, CRAN, IJL…). Elle sait également s’appuyer sur les relais professionnels (Interpros, Organisations professionnels, Syndicats métiers..) pour ancrer ses projets au plus proche des attentes de la filière.

Le CRITT Bois fait évoluer ses compétences et méthodes pour répondre aux enjeux de la filière Bois. L’équipe est solidement ancrée dans le monde industriel, conjuguant conseils et expertises industrielles avec compétences en innovation et en expérimentation.

Le CRITT Bois est organisé en 3 pôles qui couvrent des thématiques communes à plusieurs secteurs de la filière

Pôle Bois Matériau – Chimie bio sourcée

Conférer des nouvelles propriétés ou fonctionnalités au bois, garantir la durabilité du bois, de la finition…, valoriser les molécules du bois

MINEVAL porte sur l’utilisation des différences de propriétés des solides pour pouvoir effectuer une séparation afin de récupérer la partie valorisable. Les propriétés utilisées sont :

  • La densité : séparation par gravité simple ou centrifuge
  • Le magnétisme : séparation magnétique haute et basse intensité voie sèche et voie humide
  • La conduction électrique : séparation électrostatique
  • Les propriétés de surface : séparation par flottation (balance hydrophile/hydrophobe)

Afin de répondre aux besoins de préparation (broyage, classification, échantillonnage) et de séparation, STEVAL présente un panel d’une centaine de machines, réparties sur les 2000 m2 de la plateforme. Les appareils de préparation et de tri existent en différentes versions, qui sont adaptés à la fois à la quantité, à la taille et aux propriétés des particules à traiter.

Les appareils de préparation fixes (broyeurs, cribles) sont répartis sur 5 plateaux de 75 m2 chacun. A ceci s’ajoutent des broyeurs de laboratoire (mâchoires, giratoire, cylindres boulets ou barres) et des outils de tamisage.

Il est possible d’effectuer des séparations successives en utilisant des propriétés physiques différentes. Les différents séparateurs sont alors répartis sur les 4 plateaux d’essais superposés, chacun d’eux possédant une surface de 150 m2. Ces séparateurs sont mobiles afin de simuler des flow-sheets industriels différents. Les débits sont de l’ordre de la centaine de Kg /h pour les simulations industrielles.

Les équipements de traitement par voie thermique (pyro-valorisation et pyro-recyclage) complètent la panoplie des méthodes séparatives de STEVAL. La recherche est orientée particulièrement vers le recyclage des métaux dits rares, critiques et stratégiques contenus dans des matériaux en fin de vie (mines urbaines). Après être passés de la preuve du concept à l’échelle laboratoire, nous proposons des pistes de développement industriel grâce aux procédés mis en œuvre.

Ce procédé permet de traiter le concentré généré par la plateforme de minéralurgie.

Les procédés hydrométallurgiques, par opposition aux procédés pyrométallurgiques, présentent l’avantage de pouvoir traiter des minerais à faible teneur, de permettre un meilleur contrôle des coproduits et d’avoir un plus faible impact environnemental avec notamment une facture énergétique réduite. Aussi, avec l’appauvrissement des gisements et l’intérêt grandissant pour des éléments à faibles teneurs (e.g. terres rares), l’industrie métallurgique montre un intérêt croissant depuis une quinzaine d’années pour le développement de procédés hydrométallurgiques plus adaptés aux défis actuels. Le besoin de développer des procédés plus efficaces, économiques et respectueux de l’environnement capables d’extraire des métaux dans des matrices polymétalliques de plus en plus complexes, pauvres et de composition variable au cours de l’exploitation, est réel et partagé.

STEVAL est utilisé autant en collaboration de recherche dans le cadre de consortiums scientifiques internationaux que pour résoudre des problèmes industriels. Certains appareils sont en libre-service après la formation adéquate. Pour les opérations de pilotage, une équipe opérationnelle est présente pour l’assistance technique.

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Contacts

Responsable technique : Frédéric DIOT : +33 (0)3 72 74 45 33

Responsable scientifique : Lev FILIPPOV – +33 (0)3 72 74 45 46

Adresse : GeoRessources – Campus Brabois – 2 rue du Doyen Marcel Roubault – BP 10162 – 54505 VANDŒUVRE-LES-NANCY cedex

Partenariat LSE - SCE

Christophe SCHWARTZ,  du laboratoire LSE est revenu sur le partenariat avec la société SCE en vue de développer un outil décisionnel agriculture urbaine.

Ce partenariat avec SCE existe depuis l’obtention d’un projet de recherche ADEME intitulé Destisol et se poursuit aujourd’hui à travers le projet Destisol’AU (financement INRA Transfert). Il s’ancre en premier lieu sur deux enseignants-chercheurs (Christophe Schwartz et Geoffroy Séré) avec le soutien d’ingénieurs de recherches contractuelles (Marie Stas sur l’année 2014, Joséphine Dollinger depuis novembre 2018), l’adossement d’une thèse (Anne Blanchart entre 2015 et 2018) et le soutien de collègues chercheurs INRA (Thibault Sterckeman, Sophie Leguédois). Actuellement, outre Joséphine qui a été embauchée pour 1 an sur ce contrat, nous sommes tous impliqués dans différents autres projets de recherche (projets ADEME, PSDR, LIFE).

La division « Environnement » de SCE a contacté Christophe Schwartz en 2014 au moment du montage du projet Destisol – soumis à l’APR GESIPOL de l’ADEME – pour figurer comme partenaire. Nous n’avions eu aucun contact avec eux en amont. Ils nous avaient identifié pour notre expertise dans le domaine.

Nous souhaitons aujourd’hui prolonger cette collaboration fructueuse scientifiquement et humainement par une extension des résultats de Destisol à ce sujet fortement émergent qu’est l’agriculture urbaine et qui constitue l’un des thèmes majeurs de recherche du LSE.

C’est ainsi que nous avons monté le projet Destisol’AU (Mieux prendre en compte les potentialités des sols dans les projets d’aménagement urbain pour optimiser la production de biomasse alimentaire des agricultures urbaines). Il vise à développer un outil d’aide à la décision à destination des usagers et des aménageurs pour développer l’agriculture urbaine en maximisant les potentialités des sols.

Nous avons travaillé étroitement au cours du projet Destisol à travers de réunions de travail particulièrement productives, en établissant également des liens avec les « utilisateurs » (e.g. aménageurs, collectivités).

Dans le prolongement, le partenariat développé dans Destisol’AU inclura également d’autres divisions de SCE (e.g. diagnostic sites et sols pollués, géomécanique, développement de logiciel).

Le projet Destisol’AU devrait se conclure par le développement d’un outil opérationnel (par exemple disponible sur tablette de terrain) afin de conduire un diagnostic de sites accueillant ou susceptibles d’accueillir des projets d’agriculture urbaine. Cet outil est avant tout à destination des bureaux d’études. Il sera en accès libre. En complément, nous développerons une offre de formation pour les futurs utilisateurs.

En termes de positionnement TRL, le projet s’inscrira sur des niveaux 5 à 7, mais vise à aller à son issue jusqu’aux niveaux 8 et 9.

Nos projets de recherche

Le GREEN, acteur de l'efficacité énergétique

Dans de très nombreuses industries, il est nécessaire de disposer de systèmes d’entrainement électromécanique associant une faible vitesse et un fort couple. C’est le cas pour la propulsion marine ou pour la production d’énergie électrique à base d’éoliennes.

Ces dispositifs associent souvent un moteur électrique à haute vitesse à un réducteur mécanique qui dégrade le rendement du système. De plus, l’engrenage mécanique représente un point faible car il nécessite des opérations de maintenance régulières ce qui conduit une perte de productivité.

Plusieurs études ont été menées par le passé en vue de résoudre ce problème. L’une des solutions envisagées a notamment été l’utilisation de réducteurs magnétiques. Le professeur K. Atallah (l’Université de Sheffield) a été le premier en 2001 à publier un article scientifique décrivant un réducteur magnétique à flux radial à très haute performance.

L’idée d’intégrer une machine électrique et un réducteur magnétique pour former un convertisseur électromécanique à très fort couple volumique s’en est suivie (2008). Des recherches intensives visant à améliorer le concept et l’introduire sur le marché de la propulsion et de la génération électriques (éoliennes) sont en cours aussi bien dans le monde académique qu’industriel.

L’idée est d’associer directement dans la structure du moteur électrique un réducteur de vitesse magnétique pour obtenir un convertisseur électromécanique compact (fort couple volumique) et très performant d’un point de vue rendement. Les réducteurs de vitesse magnétiques possèdent de nombreux avantages par rapport aux réducteurs mécaniques :

  • Maintenance réduite
  • Meilleure fiabilité
  • Bruit acoustique réduit
  • Protection intrinsèque contre les surcharges mécaniques

 

Par ailleurs, les réducteurs magnétiques peuvent assurer une isolation hermétique entre le moteur d’entraînement et sa charge (industries pétrochimiques, pharmaceutiques, nucléaires, etc…).

Jusqu’à présent, les études menées se sont limitées aux machines synchrones à aimants permanents. Or il existe d’autres types de machines électriques, plus robustes et économiques comme le moteur à induction où cette technologie peut trouver sa place. Par ailleurs, la transmission par moteur à induction permet un fonctionnement direct sur le réseau pour des applications à vitesse constante.

 

Figure 1. Machine asynchrone intégrant un réducteur de vitesse magnétique (MaGIM)

Les chercheurs du GREEN ont eu l’idée d’utiliser un moteur à induction à rotor bobiné associé à un réducteur de vitesse magnétique pour constituer le MaGIM (Figure 1) « Magnetically Geared Induction Machines », (en français : « Machine asynchrone intégrant un réducteur de vitesse magnétique »).

Sur la base de cette idée originale, S. Mezani, enseignant-chercheur au GREEN, a obtenu une bourse européenne dans le cadre du programme Marie-Curie IEF (Intra European Fellowship). Le but était d’étudier la faisabilité du concept MaGIM. Ce travail a été mené durant 18 mois à l’Université de Nottingham.

Ce travail théorique a montré l’intérêt de cette technologie et s’est concrétisé par la publication de deux articles de revue. Une thèse, encadrée par Thierry Lubin et Smail Mezani, a débuté au GREEN en octobre 2016 sur ce sujet (contrat doctoral). L’objectif étant de valider le concept par la réalisation d’un prototype dont le financement fait l’objet de cette demande.

Ce projet s’inscrit dans le cadre de l’efficacité énergétique. Pour éco­nomiser l’énergie, il est préconisé d’améliorer le rendement et la fiabi­lité des systèmes d’entrainement électromécanique.

Le projet MAGIM, autour d’un concept novateur associant une génératrice asynchrone et un réducteur magnétique pour l’éolienne, répond à cet objectif car il permet d’améliorer la fiabilité (maintenance réduite) et le rendement global de la chaine de production.

Les équipes du GREEN sont convaincues que ce nouveau type de machine peut pénétrer assez rapidement le marché des entrainements de forte puissance à basse vitesse (éolienne pour la production d’énergie ou traction maritime en fonctionnement moteur).

Les premiers résultats ont notamment été présentés à la conférence internationale sur les machines électriques ICEM’2018 qui s’est tenue en Grèce début septembre.

Les alliages inter métalliques : l'avenir de l'industrie ?

Depuis plusieurs décennies, les alliages intermétalliques sont développés industriellement pour le marché aéronautique, et particulièrement le TiAl, référencé avec la fabrication par fonderie des aubes de turbine basse pression du turboréacteur GEnx de General Electric.

Les aluminiures constituent ainsi un atout essentiel pour ce marché, au regard de leur faible densité comparée à celle des superalliages de Ni. Ils présentent par ailleurs une excellente tenue à hautes températures et une excellente résistance à la corrosion et à l’oxydation, mais sont cependant limités par leur fragilité à température ambiante et leur mise en œuvre difficile.

Une percée du TiAl a également été opérée dans le domaine de l’automobile, pour des roues de turbines sur des voitures de compétition. Ses modes de production complexes et coûteux freinent cependant son industrialisation en grandes séries. Le caractère très oxydable de l’Al et du Ti et l’usinage difficile de l’alliage à structure ordonnée requièrent en effet une élaboration et une coulée sous vide et une mise en forme par métallurgie des poudres ou en fonderie cire perdue.

Un premier état des lieux effectué par CTIF montre que parmi les aluminiures, les alliages Ni3Al, NiAl et surtout FeAl, FeNiAl, Fe3Al et FeMnAl, sont compatibles avec une mise en œuvre par voie de fonderie. Au vu de sa faible densité et de son coût raisonnable, Fe3Al s’avère un alliage intermétallique prometteur.

L’objectif du projet a été de démontrer la faisabilité préindustrielle de la mise en œuvre d’aluminiures de fer, par un procédé de fonderie sable sous atmosphère naturelle, qui a été testé sur une pièce représentative du secteur automobile en visant les applications grandes séries en acier fortement allié.

Le verrou technique majeur est l’élaboration de l’alliage, du fait de l’oxydation de l’aluminium à la coulée. Pour  le lever, un procédé mis au point par CTIF dans le cadre du projet « Fonte GS alpha 1000 » a été adapté et optimisé. Il consiste à maîtriser l’introduction de l’aluminium dans la matrice de fer, via une conception spécifique de bassin de traitement associé à un moule en caisson préalablement inerté.

Un second verrou est la fragilité du matériau, due à sa structure ordonnée mais générant par ailleurs sa résistance mécanique à haute température. Les paramètres les plus déterminants d’élaboration ont donc été évalués puis les meilleures conditions sur une application de type carter de turbines pour le secteur automobile ont été testées, dans l’objectif d’un possible transfert industriel en aval du projet, chez des fondeurs producteurs de ce type de pièces.

C’est l’alliage Fe3AI qui a été sélectionné car il présente un bon com­promis entre un coût matière réduit et de bonnes propriétés à chaud.

Les performances à haute température sont très encoura­geantes. L’alliage apparaît comme très ductile à chaud, ce qui offre une marge de sécurité importante au niveau des dé­formations. En particulier, il possède à 600°C un allongement 4 fois supérieur (103%) au NiCr20Co13Mo4TiAl (25%) pour une contrainte identique.

A 900°C, la résistance est limitée. Les essais de traction ef­fectués confirment l’existence d’un effet Portevin-Le Chatelier (PLC) signalé dans la littérature, avec un long plateau à 14 MPa.

La faisabilité par voie de fonderie conventionnelle (fusion at­mosphérique et moulage sable) a été démontrée avec la ré­alisation d’un carter de turbocompresseur.

Les résultats obtenus sont donc très prometteurs. Il reste maintenant à transférer le procédé en milieu industriel, tout en résolvant certains problèmes comme en particulier l’hétérogénéité en composition de l’alliage. De plus l’alliage actuel doit être optimisé afin que ses propriétés mécaniques soient adaptées à l’utilisation envisagée.