Projet réalisé dans le cadre du Consortium industriel FactoryLab, piloté par le CETIM en collaboration avec Nimesis, Naval Group, Stellantis et Safran.
L’étanchéité au cœur des préoccupations
De nos jours, l’étanchéité est un élément essentiel dans la vie des processus et des systèmes fluidiques afin de garantir des performances optimales, sécuriser les personnes et les biens mais également protéger l’environnement. Par ailleurs, les alliages à mémoire de forme (AMF) ont transformé l’ingénierie des matériaux grâce à leur capacité remarquable à retrouver leur forme initiale après avoir subi une déformation. Cette caractéristique unique découle de changements réversibles dans la structure cristalline des AMF, qui sont déclenchés par des variations de température ou de contrainte. Lorsque ces alliages sont chauffés au-dessus de leur température de transition, ils passent d’une phase martensitique déformée à une phase austénitique non déformée, leur permettant ainsi de reprendre leur forme préétablie. Cette capacité intrinsèque offre un potentiel d’innovation immense dans divers domaines industriels, et en particuliers en étanchéité.
Les AMF, un atout pour la maitrise du serrage et de l’étanchéité ?
Les défis actuels liés au serrage et à l’étanchéité dans divers secteurs industriels mettent en évidence la nécessité d’innovations dans ce domaine. Les méthodes traditionnelles, bien que largement utilisées, présentent des limites importantes, en particulier en ce qui concerne les variations thermiques et les contraintes mécaniques. Ces limites entraînent des coûts de maintenance élevés et des temps d’arrêt imprévus, soulignant ainsi le besoin urgent de solutions plus fiables et efficaces. La recherche sur les AMF vise à répondre à ces défis en proposant des solutions novatrices et adaptatives.
L’innovation majeure de notre étude de faisabilité réside dans la conception de dispositifs de serrage et d’étanchéité intégrant ces nouveaux AMF. Ces dispositifs exploitent les propriétés des AMF avec comme objectif de fournir un serrage constant et reproductible ainsi qu’une étanchéité fiable, même dans des environnements extrêmes.
Un mécanisme bien connu
Les AMF tirent parti des transitions de phase pour retrouver leur forme d’origine. À température ambiante, ils sont dans une phase martensitique déformée. Cependant, lorsqu’ils sont soumis à une élévation de température au-dessus de leur température de transition, ils passent à une phase austénitique, retrouvant ainsi leur forme préprogrammée. Ce processus est réversible et peut être utilisé de manière contrôlée pour produire un mouvement ou une déformation souhaitée.
Une utilité à démontrer dans les applications de serrage et d’étanchéité
L’application des AMF dans le domaine du serrage et de l’étanchéité repose sur leur adaptabilité aux variations environnementales. Les systèmes de serrage basés sur les AMF peuvent être conçus pour se contracter ou se dilater en réponse aux changements de température, garantissant ainsi un serrage constant dans des environnements thermiques dynamiques. De même, les joints d’étanchéité peuvent être optimisés pour maintenir une pression constante malgré les fluctuations de température et de pression.
Cette adaptabilité des AMF aux conditions environnementales offre des avantages significatifs dans des applications telles que l’assemblage industriel, où les variations de température sont courantes, et dans des environnements soumis à des contraintes mécaniques variables. Ces propriétés font des AMF des candidats prometteurs pour relever les défis complexes liés au serrage et à l’étanchéité dans un large éventail d’industries.
Des résultats à approfondir
Nous avons conçu avec notre partenaire Nimesis deux prototypes afin d’évaluer les performances de ces matériaux dans des systèmes d’étanchéité :
- Une rondelle pour remplacer les rondelles sous écrou qui doit permettre le maintien de l’effort appliqué sur le joint;
- Un ruban qui se loge dans une gorge de joint torique et qui en déformant appliquera un effort supplémentaire sur le joint torique installé.
A partir des données d’entrée fournies par le CETIM, Nimesis a conçu, dimensionné et fabriqué les deux prototypes. Dans le cadre cette étude de faisabilité, nous avons opté pour un matériau 100% fabriqué en France afin de maîtriser l’ensemble de la chaine de fourniture.
Les résultats de l’étude ne permettent pas de mettre en évidence un gain substantiel sur les performances en étanchéité. De nombreux facteurs peuvent être à l’origine de ces résultats d’essai (déformation, dilation thermiques, état de surface…) et cela ne démontre pas que ces matériaux sont inefficaces. En effet, un autre essai nous a permis de mettre en évidence le fonctionnement de la rondelle donc nous savons que cela peut fonctionner. En revanche, il est évident que sa mise en œuvre ne permet pas de façon évidente d’améliorer l’étanchéité du système. Le dispositif semble toutefois prometteur et ouvre probablement de nouvelles perspectives dans le domaine du serrage et de l’étanchéité industriels. Néanmoins, plusieurs limites sont à considérer :
- Une conception de la liaison étanchéité plus complexe;
- Des applications en température restrictives. Nous n’avons pas pu considérer les conditions des applications de nos partenaires industriels pour cette raison;
- Un coût élevé;
- Souveraineté de la filière. Certains matériaux ne sont très peu voire pas produit en France.
Un coût rédhibitoire ?
Si les performances immédiates en étanchéité (c’est-à-dire aucun gain mesuré mais également aucune détérioration) ne sont pas au rendez-vous, il faudrait pouvoir évaluer les performances en étanchéité sur un temps long et voir si l’effet compensatoire des AMF est plus marqué.
Par ailleurs, une réflexion plus approfondie sur les montages d’essai serait nécessaire afin d’optimiser leur conception.
Enfin après avoir démontré un éventuel gain, une étude économique sera à mener au regard du coût de telles matières.
Conclusion
En conclusion, cette étude sur l’utilisation des alliages à mémoire de forme pour le serrage et l’étanchéité ne permet pas une avancée significative dans le domaine des conceptions de liaisons d’étanchéités. Nos innovations ouvrent toutefois de nouvelles perspectives pour l’amélioration des performances sur un temps long. Mais, aujourd’hui, de tels systèmes ne semblent pas encore compétitifs pour une industrialisation à grande échelle au regard de leurs performances et la complexité de leur conception.
Auteur : Pierre-Henri DUBOIS, chef de projet CESAME F, CETIM.
