Comment les mégatendances mondiales transforment la technologie des procédés mécaniques – et la rendent cool

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Qu'ont en commun les thèmes tendance de l'économie circulaire, de la production de batteries et des protéines végétales ? Ils mettent au défi la créativité des techniciens en procédés et suivent les mégatendances mondiales de la raréfaction des ressources, de la mobilité, de l'alimentation et de la lutte contre le changement climatique. Alors que la dernière décennie était axée sur de nouveaux procédés chimiques et technologies numériques, c'est maintenant le moment de la technologie mécanique des procédés.

L'électrification de l'économie et de la mobilité appartient à l'avenir. Et les technologies de stockage joueront un rôle décisif dans ce contexte. Mais lorsque l'on demande aux experts où se trouve le plus grand potentiel d'innovation dans la technologie des batteries, la réponse surprendra la plupart des gens : ce n'est pas dans la chimie ou avec de nouveaux matériaux, mais dans la technique de production. Alors que, par exemple, pour les batteries lithium-ion, un optimum technologique commence à se dessiner du côté des matériaux, la fabrication de cellules et de batteries n'est pas encore totalement mature. La densité d'énergie, la durée de vie et la performance des cellules de batteries dépendent en général, et surtout à basse température, de la précision des tailles de particules et de la forme. Et bien que la Chine soit actuellement le leader incontesté dans la production de batteries pour voitures électriques, cela pourrait changer dans les années à venir si de nouveaux acteurs aux États-Unis et en Europe construisent en grand nombre de nouvelles usines de batteries avec la technologie la plus récente.

La clé réside dans le processus de fabrication, convainquent les chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la technologie de production et d'automatisation, IPA. Un facteur important est la technique mécanique : elle permet la production et la transformation de nanomatériaux ainsi que la fabrication précise d'électrodes. La complexité de la chaîne de valeur des batteries commence déjà lors de l'extraction des matières premières par l'exploitation minière ou l'extraction chimique — mais le processus devient vraiment délicat lors du traitement des matériaux : ceux-ci doivent non seulement être produits en qualité constante (« Battery Grade »), mais aussi en grandes quantités. Et comme les matériaux actifs des batteries sont toxiques, les processus de production doivent également être hermétiquement étanches (conteneur).

Les fabricants de mélangeurs, de disperseurs et de réacteurs ont abordé le sujet. Un exemple est l'évolution des réacteurs tubulaires pour la synthèse en poudre : un flux pulsé de gaz chaud, par exemple dans le réacteur tubulaire de Glatt Ingenieurtechnik, crée des conditions de flux turbulentes et permet de régler précisément et de manière reproductible la taille, la surface et la structure des particules. Mais ce n'est pas seulement dans la technique de réaction que la distribution de température a une grande influence sur la qualité du produit. Étant donné que les matériaux d'anode et de cathode sont souvent fabriqués à haute température, le chauffage, la gestion du flux et l'isolation des machines de production sont également cruciaux.

Une étape supplémentaire dans la fabrication des batteries est le revêtement des films porteurs, sur lesquels la matière active est appliquée. La pâte de revêtement doit être particulièrement homogène, car des écarts dans la taille des particules ou la viscosité entraînent une perte de performance. De nouvelles machines de mélange et de dispersion, comme celles de Ystral, visent à contrôler précisément l'apport d'énergie et à minimiser la consommation d'énergie — un objectif d'optimisation important compte tenu des grandes quantités à traiter.

Les processus continus exigent de nouvelles technologies de machines

Les procédés continus deviennent de plus en plus intéressants : contrairement à la production par lots classique, ils augmentent la productivité car ils éliminent les temps d'arrêt et de nettoyage. De plus, ils permettent un meilleur contrôle du processus de production, peuvent être plus facilement hermétiquement étanches et atteignent une qualité de produit supérieure. Cela est particulièrement important lorsque le produit est sensible aux contaminations ou lorsque l'on doit éviter toute charge microbienne. En outre, les procédés continus sont plus faciles à mettre à l'échelle et conduisent à une meilleure efficacité énergétique et économique.

Mais pour réaliser des procédés continus, les procédés mécaniques doivent être adaptés ou nouvellement développés : qu'il s'agisse de moulins, mélangeurs, sécheurs ou centrifugeuses — la conception des machines en mode continu obéit à d'autres lois. La refonte avec l'objectif « continu » conduit déjà à de nouvelles conceptions. Un exemple en sont les séparateurs à disques développés récemment par Flottweg, utilisés pour la séparation continue de solides dans des liquides, par exemple en biotechnologie. Contrairement aux centrifugeuses classiques, la machine utilise un tambour relativement léger, ce qui nécessite nettement moins d'énergie d'entraînement.

Un autre exemple est celui des extrudeuses fonctionnant en continu, utilisées dans le recyclage des plastiques. Par exemple, les extrudeuses à double vis de Coperion assurent lors du recyclage thermique du polyméthacrylate de méthyle (PMMA) une injection d'énergie très efficace dans la fusion du plastique, permettant une dépolymérisation rapide et économe en énergie.

Économie circulaire : potentiels pour le recyclage chimique et mécanique

Le développement des machines met en lumière le marché d'avenir croissant de l'économie circulaire : la production de plastiques basée sur le recyclage chimique constitue une option prometteuse. Cependant, la décomposition des polymères en leurs composants chimiques n'est que la dernière étape. Sur le plan de la balance énergétique, le recyclage mécanique est beaucoup plus pertinent, mais il échoue souvent parce que les déchets plastiques ne sont généralement pas triés par type. Ici, les technologies numériques doivent jouer un rôle à l'avenir. L'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique peuvent analyser les données des caméras et capteurs des machines de tri et séparer les déchets plastiques — y compris avec l'aide de robots — en différentes fractions.

Les taux de recyclage en augmentation représentent également un défi pour les procédés mécaniques : les installations atteignent leurs limites de capacité. Par exemple, les mélangeurs mécaniques sont limités par leur taille, et avec l'augmentation des volumes, les forces mécaniques augmentent aussi, ce qui peut provoquer des variations de qualité lors du mélange de flocons de PET dans le recyclage du PET. Les silos de mélange, où la matière brute est prélevée à différentes hauteurs, sont une solution proposée par Zeppelin Systems, permettant de mélanger de grandes quantités en douceur. Des débits nettement plus élevés requièrent également d'autres concepts de transport.

Il devient clair ici que, malgré des méthodes modernes de conception telles que la mécanique des fluides numérique (CFD), la modélisation ou la simulation, les procédés mécaniques ne peuvent pas toujours être planifiés entièrement à l'avance sur un tableau numérique. Les fabricants d'installations et de machines investissent donc de plus en plus dans leurs propres laboratoires et installations d'essai pour trouver la meilleure méthode pour une application donnée. De nouvelles solutions émergent grâce à une collaboration étroite entre fournisseurs de machines et d'installations et les utilisateurs. Cela devient d'autant plus crucial que, comme le montre l'exemple des giga-usines de batteries, des procédés et des processus jusque-là peu matures sont désormais mis en échelle à grande échelle.

Les aliments durables nécessitent de nouveaux procédés

Le fait que les efforts communs de développement deviennent de plus en plus importants s'applique également au secteur alimentaire, qui est lui aussi en pleine transformation. La préservation des ressources et la durabilité sont ici les mégatendances qui stimulent la recherche de nouveaux procédés. Cela se voit notamment dans la tendance aux alternatives à la viande, aux protéines végétales et aux substituts laitiers. Ces produits deviendront encore plus importants dans les décennies à venir, car la production classique de protéines animales atteint ses limites face à une population mondiale croissante et à des habitudes alimentaires changeantes. Là aussi, les procédés mécaniques jouent un rôle central — du broyage et du tamisage à la centrifugation, la filtration, le séchage, jusqu'à la texturisation de substituts de viande par extrudeuse. L'innovation naît également ici d'une collaboration interdisciplinaire entre technologues alimentaires, constructeurs de machines et techniciens en procédés.

Sans automatisation ni numérisation, cela ne fonctionne pas

Bien qu'il semble indiscutable que l'IA ou l'apprentissage automatique joueront un rôle important dans l'industrie des procédés à l'avenir, ils ne sont qu'une manifestation des technologies numériques qui pourront bénéficier à la technologie mécanique des procédés à l'avenir. Deux tendances majeures sont l'augmentation du degré d'automatisation et le besoin d'installations modulaires. L'idée de base : des installations construites à partir d'unités de base ou de modules procédés permettent non seulement de simplifier l'ingénierie, mais aussi d'étendre la capacité des installations de manière flexible. L'analyse des données de processus et de capteurs permet également d'optimiser en continu les procédés.

Étant donné que l'orchestration (programmation) de ces modules dans l'approche classique de l'automatisation des procédés demande beaucoup d'ingénierie et de programmation, un changement de paradigme est nécessaire. Celui-ci se réalise actuellement avec l'automatisation modulaire. L'objectif : que les opérations de base en procédés et les modules puissent à l'avenir être combinés facilement et sans effort de programmation important. Comme ces modules intègrent déjà leur logique de contrôle sous forme d'un Package Type Module (MTP) et disposent d'une interface standardisée, leurs fonctions peuvent être utilisées par le système de contrôle central comme un service — sans effort supplémentaire pour la programmation du système de commande. Pour les fabricants de machines et d'installations en technologie mécanique des procédés, cela représente un défi — ils doivent désormais se concentrer intensément sur les questions de numérisation, d'automatisation et de contrôle. Mais de plus en plus d'opérateurs d'installations et de fabricants de machines en sont convaincus — car la modularisation cohérente en vaut la peine face à la pénurie de compétences. Certains fournisseurs, dont le constructeur d'installations GEA, relèvent déjà ce défi en proposant de nouvelles unités packagées avec MTP.

En conclusion : que ce soit la technologie des batteries, l'économie circulaire ou l'alimentation durable — les défis techniques sont énormes. La combinaison de procédés mécaniques et de technologies numériques joue un rôle clé et constitue une étape centrale vers la durabilité. Des questions passionnantes, des tâches porteuses de sens et la participation active à la construction d'un avenir durable — la technique mécanique des procédés n'a pas manqué d'atouts pour cela.