L’état d’esprit « le client d’abord » derrière le revêtement primé ES302 de Timken

À la fin des années 2000, des parcs éoliens aux États-Unis ont découvert qu’ils avaient un problème. Les éoliennes qu’ils avaient installées à la fin des années 1990, ou au début des années 2000 (conçues pour produire de l’électricité pendant 20 ans) avaient désespérément besoin d’une révision mécanique majeure.

Les roulements à rouleaux des arbres principaux et des boîtiers d’engrenages des turbines présentaient des dommages prématurés par rapport à ce qui avait été prévu à leur conception. La résolution de ces problèmes a nécessité une reconstruction majeure, à un coût pouvant atteindre 300 000 $ pour chaque défaillance, soit environ 1,2 million de dollars pendant la durée de vie d’une turbine.

À la même époque, une équipe de recherche et développement (R&D) de Timken avait atteint le stade de production d’un procédé de revêtement au plasma pour roulements à rouleaux qui était en cours de développement depuis la fin des années 1990. « Quand nous avons commencé à étudier l’impact des revêtements sur la performance tribologique des roulements, nous étions des pionniers », explique Ryan Evans, qui a fait ses débuts comme étudiant en génie chimique pour travailler sur le projet et est actuellement directeur du service de R&D pour les roulements et paliers.

« Dans un roulement, les surfaces d’acier ne doivent jamais se toucher », déclare-t-il. Cela semble être une condition difficile parce que, en regardant un roulement à rouleaux, vous observez des rouleaux qui se déplacent dans un espace restreint, ce qui explique le besoin de lubrification pour qu’un film se trouve toujours entre le rouleau et la bague intérieure du chemin de roulement.

Malheureusement, il est difficile de maintenir des films de lubrifiant de façon constante. Les premières conceptions d’éoliennes, par exemple, comprenaient souvent des roulements à deux rangées de rouleaux sphériques (SRB) sur l’arbre principal, qui devaient supporter une réaction radiale et une charge de poussée du vent uniquement sur la rangée de rouleaux située sous le vent. Comme le roulement s’usait à cause de cette pression inégale, il transférait des charges de flexion axiales croissantes sur les roulements du boîtier d’engrenage. Les sociétés d’énergie éolienne rencontraient des difficultés à maintenir les roulements suffisamment bien lubrifiés pour éviter les dommages dans ces conditions de charges complexes.

À la fin des années 2000, les roulements à rouleaux des arbres principaux et boîtes d’engrenage des turbines présentaient un endommagement prématuré, entraînant ainsi d’importantes remises à neuf qui pouvaient coûter jusqu’à 300 000 dollars.

Résolution des problèmes de contact acier sur acier

De nombreuses industries lourdes sont confrontées à ce problème de contact acier sur acier dans les roulements. Pour le résoudre, l’équipe de Timken a adopté une nouvelle approche : faire en sorte que les rouleaux porteurs aient moins de « propriétés d’acier » que les bagues.  »Nous appliquons une fine couche de composite sur une fraction épaisse de cheveux humains, explique M. Evans. « C’est une combinaison technique de céramique et de polymère ou, en d’autres termes, une fine couche de matériau ressemblant à du plastique remplie de minuscules particules de céramique. »

En fait, le revêtement que Timken a mis au point, l’ES302, était à la fois dur et résistant à l’usure, comme une mèche de forage, tout en étant glissant et non collant, comme votre poêle à frire préférée. La société a mis au point une stratégie saine sur le marché des pièces de rechange en remplaçant les roulements d’éoliennes par des roulements à rouleaux sphériques résistants à l’usure et dont les rouleaux sont enduits du revêtement ES302.

L’agriculture a été un autre des premiers marchés pour les roulements résistants à l’usure dans les gros outils agricoles, comme les tracteurs et les moissonneuses-batteuses. Les clients de l’aérospatiale ont également trouvé des applications pour ces roulements, de même que les usines de papier, les sociétés pétrolières et gazières, les sociétés minières, etc.

Aujourd’hui, les revêtements de Timken constituent une option de produit de qualité supérieure. « En général, vous pouvez les ajouter sur n’importe lequel de vos roulements Timken préférés », dit M. Evans. « Si vous avez acheté un roulement et qu’il vous plaît, mais que vous aimeriez qu’il dure plus longtemps quand les conditions de lubrification sont mauvaises pour une raison quelconque, nous pouvons ajouter le revêtement sans avoir à tout remanier . »

Un état d’esprit entrepreneurial en R&D

M. Evans se souvient avec émotion des années de développement de l’ES302. L’équipe principale était un groupe uni qui comprenait également Gary Doll, actuellement professeur d’ingénierie de surface à Timken et directeur du Laboratoire des surfaces techniques Timken à l’Université d’Akron ; Jim Gnagy, spécialiste du développement de produits ; et Tim Springer, directeur du programme. Au cours des années qui ont précédé le projet ES302, d’autres ingénieurs et analystes du service R&D de Timken ont également apporté de précieuses contributions au développement des technologies de résistance à l’usure .

« Nous avons parcouru le monde entier pour discuter avec nos clients de cette technologie de revêtements de pointe et de roulements résistants à l’usure », explique M. Evans. Le contact direct avec les clients a été essentiel. Il attribue une grande partie du succès du produit aux occasions qu’a eues l’équipe de relever les défis du monde réel, d’établir des relations avec les clients, de tester et de recueillir des commentaires sur les solutions sur le terrain.

«. Durant cette période de démarrage initiale, la R&D vis-à-vis des clients était très importante et se développait rapidement, dit-il. « Nous leur envoyions des pièces prototypes et attendions ensuite une réaction. » Il était toujours satisfaisant de recevoir un e-mail du terrain disant « Elle vient de franchir le seuil des 2 000 heures ! » pour une pièce qui n’avait jamais duré plus de 200 heures auparavant.

Tom Springer, Jim Gnagy et Ryan Evans acceptent le trophée de la Réussite en matériaux techniques, décerné par ASM International, pour le développement d’ES302, un revêtement technique qui augmente la durée de vie, améliore l’efficacité et empêche l’usure des roulements et des engrenages.

Reconnaissance internationale

Les roulements ne sont peut-être pas la première chose à laquelle la plupart d’entre nous pensons quand nous considérons la technologie qui fait avancer la civilisation moderne, et pourtant chaque machine avec des pièces rotatives en a besoin. En fin de compte, les revêtements Timken ont réussi simplement parce qu’ils aident les roulements à faire leur travail en coulisse de manière fiable, sans que personne ne s’en rende compte.

« Quand nous installons un roulement avec des revêtements résistants à l’usure sur le terrain, le client nous contacte rarement par la suite», explique M. Evans, « si ce n’est pour passer des commandes supplémentaires d’année en année. »

« L’ES302 nous a ouvert des portes et nous a aidés à développer les roulements industriels pour applications difficiles », dit-il.

Engineering Materials Achievement pour « les contributions significatives de l’ES302 dans le domaine des sciences des matériaux et des preuves de l’impact industriel ». Les lauréats précédents de ce prix annuel, créé en 1969, incluent GE, Northrup Grumman, IBM, Boeing et GM, pour n’en nommer que quelques-uns.

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Ce fut un moment de fierté pour l’équipe de développement. « Nous obtenons une validation commerciale chaque fois que nous vendons des produits Timken résistants à l’usure », explique M. Evans. L’acceptation de ce prix a permis de mieux mesurer à quel point les clients et nos pairs techniques ont apprécié le travail qui a permis de développer l’ES302.

Tout est centré sur les clients

Aujourd’hui, les chercheurs de Timken recherchent des moyens de réduire les coûts des revêtements et à rendre les revêtements techniques plus accessibles à un plus grand nombre d’ applications des clients. « De nos jours, les prix des revêtements peuvent être élevés par rapport au coût des roulements industriels ou automobiles à haut volume. Et si nous parvenions à obtenir les mêmes performances de résistance à l’usure avec un revêtement qui coûte moins cher ? », demande M. Evans.

« Timken s’associe à des centres d’excellence dans le monde entier pour aider à relever ces défis », ajoute-il. Cela inclut des institutions locales, comme l’Université d’Akron, où M. Doll travaille sur la prochaine génération de technologies de revêtements.

Les matériaux et les processus peuvent évoluer avec le temps, mais au cours des années qui ont suivi le développement de l’ES302, M. Evans a enfin compris à quel point l’esprit de collaboration avec les clients était essentielle pour Timken et toute la gamme des produits.

« Nous avons des milliers de pièces uniques que vous pouvez acheter chez nous », dit-il. « C’est la preuve que les ingénieurs de Timken sont allés sur le terrain et ont travaillé avec les clients sur les problèmes qui les préoccupent. »

« Nous investissons dans la R&D pour identifier les problèmes fondamentaux dans les applications de nos clients, pour travailler à la pointe des connaissances de l’ingénierie et des connaissances scientifiques, afin de résoudre et d’appliquer des solutions dans de multiples industries », affirme-t-il. « Les revêtements résistants à l’usure sont un excellent exemple de la façon dont nous avons travaillé ensemble pour créer de la valeur au fil du temps, depuis le laboratoire jusqu’aux équipements de nos clients. »

Last Updated: 2019/07/12

Published: 2018/11/9