Des sciences des matériaux aux nanosciences

C’est en repoussant les limites de la science que les experts font de nouvelles découvertes. Aujourd’hui, les clients de Timken sont en passe de faire du vol électrique une réalité et de trouver de nouveaux moyens d’exploiter les énergies renouvelables. Chaque avancée mécanique repose sur une question récurrente : quels matériaux peuvent répondre aux exigences de chaque nouvelle application ?

La compréhension des comportements physiques et chimiques des métaux est essentielle au développement de la prochaine génération d’innovations. Aaron Muhlenkamp et Amanda Grow, spécialistes principaux des matériaux, expliquent comment l’expertise métallurgique est au cœur du leadership industriel de Timken et comment elle joue un rôle crucial dans l’amélioration des performances des clients et de la fabricabilité des roulements.

Orienté client : la métallurgie, science appliquée par excellence

Parfois, la science répond à des questions théoriques. D’autres fois, elle résout des problèmes concrets. Si l’étude de la métallurgie permet de faire les deux, l’objectif de toutes les activités de recherche et de développement de Timken est de faire de nouvelles découvertes qui permettront de relever les défis techniques spécifiques qui se posent actuellement.

« Tout ce que nous faisons entre dans une des deux catégories suivantes : performance ou fabricabilité », explique Aaron Muhlenkamp, expert en traitement thermique et formateur résident en métallurgie des roulements chez Timken.

En ce qui concerne les performances, les connaissances métallurgiques permettent de sélectionner les matériaux de manière optimale en fonction des besoins des différentes applications. Les roulements qui doivent résister à des décennies de conditions extrêmes dans l’espace intersidéral, par exemple, ont des exigences très différentes de ceux qui permettent à un véhicule électrique d’effectuer ses trajets quotidiens sur Terre. Cela signifie que chaque roulement requiert des propriétés mécaniques différentes quant aux matériaux utilisés. Les propriétés adéquates améliorent les performances et l’efficacité du roulement et de l’ensemble du système qu’il supporte.

M. Muhlenkamp fait remarquer que les exigences en matière de performances continuent d’évoluer au fur et à mesure que les concepteurs d’équipements d’origine améliorent les capacités de leurs systèmes. La recherche métallurgique est toujours nécessaire pour garantir que les nouveaux roulements pourront fonctionner à des vitesses plus rapides, tolérer des charges plus lourdes ou gérer des températures plus élevées.

« De plus en plus de clients nous contactent pour nous dire que leur application est normale, mais qu’elle doit maintenant fonctionner à 50 degrés de plus qu’auparavant. Comment allez-vous nous aider à le faire ?, a-t-il ajouté. Nous recevons également des demandes visant à s’assurer qu’un roulement d’une largeur de 11 pieds peut supporter des charges incroyables dans l’éolien offshore. En fin de compte, nous devons obtenir et tester des matériaux pour prouver ce qui fonctionne. »

Les matériaux qui « fonctionnent » pour la performance doivent également être pratiques pour la fabrication des roulements. Est-ce que le matériau est disponible ? Comment résistera-t-il au traitement thermique, à l’usinage et aux autres procédés de fabrication ? Sera-t-il économique ? Autant de questions que les métallurgistes prennent en compte lorsqu’ils conseillent les ingénieurs et les clients de Timken sur le choix des matériaux.

Recherche de classe mondiale dans un environnement industriel

Né de la nécessité de qualifier ses fournisseurs d’acier au début du XX^e siècle, Timken a commencé à investir dans ses propres capacités de métallurgie et de caractérisation des matériaux en 1913. Aujourd’hui, l’entreprise compte une équipe internationale de 26 experts en science des matériaux et un impressionnant laboratoire métallurgique doté d’équipements parmi les plus performants au monde.

« Ces outils nous permettent de mieux comprendre la composition chimique des matériaux, leur microstructure, leur réaction au traitement, les propriétés mécaniques qui en résultent et les performances des produits, explique Amanda Grow, spécialiste des tests et des nouvelles solutions de matériaux qui permettent à Timken de rester à la pointe de la technologie des roulements. Nos laboratoires de recherche et de développement rivalisent avec ceux de nombreuses universités. »

« Ces outils nous permettent de mieux comprendre la composition chimique des matériaux, leur microstructure, leur réaction au traitement, les propriétés mécaniques qui en résultent et les performances des produits Nos laboratoires de recherche et de développement rivalisent avec ceux de nombreuses universités. »

Amanda Grow
Spécialiste principale des matériaux

Alors que certains laboratoires s’appuient sur des tests de dureté plus élémentaires pour obtenir des données semi-qualitatives sur les propriétés mécaniques d’un matériau, Timken utilise la plastométrie par indentation pour recueillir des détails plus précis. Cette méthode permet d’obtenir des données plus précises sur les relations entre les contraintes et les déformations d’un matériau et sur sa résistance ultime à la traction. Les résultats orientent la prise de décision quant à la capacité d’un matériau spécifique à supporter les procédés de fabrication des roulements Timken et, plus tard, à prendre en charge une application dans le monde réel.

Les métallurgistes de l’entreprise utilisent également les dernières méthodes de spectroscopie d’émission optique à décharge luminescente pour explorer la composition chimique d’un matériau.

« En gros, nous projetons des ions d’argon sur une pièce d’acier pour en retirer lentement le matériau, explique Mme Grow. Au fur et à mesure que des couches sont enlevées, la composition est analysée, nanomètre par nanomètre. Pour donner un ordre d’idée, un cheveu humain a une largeur de 75 000 à 100 000 nanomètres. »

Timken a récemment commencé à mettre en œuvre ses capacités de tests métallurgiques sur le terrain, grâce à une technologie miniaturisée permettant de scanner l’acier dans les aciéries, d’effectuer des analyses chimiques et de procéder à des contrôles de qualité. L’appareil portable effectue rapidement le même travail que son équivalent en laboratoire traditionnel, qui occupe l’espace de deux bureaux.

« Plus vite nous obtenons des données fiables, plus vite nous pouvons prendre de bonnes décisions », a déclaré M. Muhlenkamp.

Les sciences des matériaux tournées vers l’avenir

Fort de son expertise métallurgique, Timken continue d’élargir ses horizons afin de soutenir le portfolio croissant de l’entreprise, l’évolution des besoins des clients et la rapidité de l’innovation.

Timken a récemment lancé des roulements hybrides pour l’aéronautique dotés d’éléments roulants en céramique.. Les céramiques possèdent des caractéristiques uniques qui leur confèrent une grande résistance à des vitesses élevées et leur permettent de remplacer l’acier par un matériau plus léger pour les applications aéronautiques.

L’acquisition de GGB par Timken a récemment ajouté les polymères aux compétences de l’entreprise, et la recherche et le développement s’impliquent de plus en plus dans le développement et la sélection des matériaux pour les produits au-delà de sa gamme principale de roulements. Les experts de Timken explorent la fabrication par addition afin d’améliorer certaines caractéristiques de performance des produits de la chaîne industrielle.

Muhlenkamp et Grow partagent cet avis : alors que Timken développe ses capacités techniques, la réactivité des clients reste une priorité pour rester à la pointe de l’innovation.

Selon M. Muhlenkamp, « tout est question de rapidité d’accès à la connaissance. Plus vite nous obtenons des données fiables, plus vite nous pouvons prendre de bonnes décisions. »

« Et l’agilité, a ajouté Mme Grow. Nous voulons être une entreprise manufacturière de plus en plus agile. Et nous avons les connaissances nécessaires pour le faire. »

L’innovation des clients de Timken s’appuie sur des initiatives menées dans nos laboratoires de recherche et de développement de classe mondiale. Découvrez les investissements de l’entreprise dans une gamme complète de travaux techniques allant de la modélisation et la prévision des performances des roulements aux tests des nouveaux produits.

Published: 2024/01/15