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Glisser sur l'eau

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Les roulements des machines sont généralement lubrifiés avec différentes huiles. Mais aujourd'hui encore, de grandes quantités de ces huiles se retrouvent dans l'environnement. Le Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM, MicroTribology Centrum μTC a développé une méthode qui permettra à l'avenir de lubrifier les paliers lisses à l'eau, une approche beaucoup plus écologique.

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Les roulements sont généralement lubrifiés avec des lubrifiants à base d'huile minérale, empêchant l'usure du roulement par contact métal contre métal. En Allemagne, environ un million de tonnes de lubrifiant sont utilisées chaque année. La fabrication, l'application et l'élimination de l'huile sont un fardeau pour l'environnement.

L'introduction de lubrifiants à base d'eau serait très bénéfique pour la protection de l'environnement. Mais jusqu'à présent, le fait que les pièces métalliques se corrodent lorsqu'elles entrent en contact avec l'eau a été un obstacle majeur. Un groupe de travail du Fraunhofer IWM, MicroTribology Centrum μTC, à Fribourg, a réussi à utiliser des additifs pour changer l'eau de manière à ce qu'elle puisse être utilisée comme lubrifiant à un moment donné dans le futur. Tobias Amann et ses collègues de l'IWM de Fraunhofer : premièrement, la lubrification obtenue est bien meilleure, car l'eau n'est pas aussi visqueuse que l'huile. Deuxièmement, la corrosion est évitée.

Les chercheurs ont mis au point les détails de leur procédé à l'aide d'un palier lisse, un roulement qui ressemble à une bague qui entoure un arbre en acier rotatif. La bague est constituée de plusieurs couches structurées de l'extérieur vers l'intérieur comme suit : une douille entourant le roulement, une couche d'aluminium et une couche de métal fritté qui entoure l'arbre. L'astuce est que la couche interne frittée est traversée par un petit canal qui laisse couler l'eau entre l'arbre rotatif et la couche d'aluminium externe. Cette connexion directe est décisive dans le processus électrochimique, car une tension électrique se produit entre un métal de base comme l'aluminium et un métal plus précieux comme le fer, même sans avoir à appliquer un champ électrique externe.

Transformer l'eau en lubrifiant

Les chercheurs utilisent cette tension électrique entre l'aluminium du palier lisse et le fer de l'arbre pour transformer l'eau en lubrifiant. "Nous mélangeons ce qu'on appelle des liquides ioniques dans l'eau ", explique le Dr Tobias Amann. "Les liquides ioniques sont des sels fluides qui contiennent des anions et des cations." Ces ions sont réarrangés dans le champ électrique et s'accumulent à l'intérieur de l'anneau métallique fritté de manière à ce que leurs extrémités soient dirigées vers le haut, vers l'arbre tournant. Cela forme une sorte de couche protectrice générée par galvanisation sur laquelle l'arbre peut glisser.

L'équipe de recherche a déjà démontré la viabilité du processus. Amann et son équipe sont actuellement à la recherche de partenaires dans l'industrie avec lesquels ils prévoient d'optimiser davantage les liquides ioniques. "L'un des défis est que le mouvement de l'arbre génère de la chaleur qui provoque l'évaporation de l'eau ", explique le scientifique. "Nous cherchons des mélanges liquides ioniques qui inhibent l'évaporation."

Moteurs électriques plus efficaces à petite échelle

Le mélange d'ions et d'eau est meilleur pour l'environnement que l'huile, et il contribue également à rendre les paliers lisses encore plus efficaces. L'arbre glisse mieux lorsqu'il est mouillé avec de l'eau ", poursuit Amann. Cela réduit la consommation d'énergie par rapport à des opérations utilisant une huile beaucoup plus visqueuse." De plus, la corrosion est évitée. Normalement, l'oxygène de l'eau réagit avec les aciers contenant du fer, ce qui finit par provoquer de la rouille. Le champ électrique empêche que cela se produise.

Dans le cadre de deux projets menés avec leurs collègues de l'Université de Fribourg, tous deux financés par le ministère de l'économie, du travail et du logement du Bade-Wurtemberg, les experts de Fraunhofer IWM ont développé encore plus que le palier lisse et son fonctionnement électrochimique interne. Ils ont également conçu un nouvel appareil de mesure, appelé tribomètre in situ, capable de surveiller les valeurs d'usure et de frottement métalliques directement sur le palier lisse pendant le fonctionnement. Jusqu'à présent, il n'était possible de mesurer l'usure d'un roulement qu'en démontant le roulement avant d'évaluer et de mesurer les surfaces. Cela prend beaucoup de temps : "Notre nouveau tribomètre permet maintenant de mesurer l'usure in situ, ce qui facilite non seulement le développement de lubrifiants à base d'eau, mais aussi la surveillance continue des roulements ", souligne Amann.

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