Hannover Messe : Pompes et vannes en film ultra-fin économisent de l'énergie et sont légères

Avec son dernier prototype de pompe à vide, l'équipe de recherche présente sa technologie lors de la foire de Hanovre de cette année. Les ingénieurs peuvent ainsi créer un vide sans étape jusqu'à 300 millibars de pression. Pour illustrer la technologie, le film dans un démonstrateur crée un vide dans une cloche en verre avec un ballon. La doctorante Carmen Perri participe à la recherche sur les pompes et vannes intelligentes en silicone ultrafin. © Oliver Dietze / L'équipe de recherche présente son dernier prototype de pompe à vide lors de la foire de Hanovre de cette année. La doctorante Carmen Perri mène des recherches sur des pompes et vannes intelligentes en silicone ultrafin. © Oliver Dietze

Paul Motzki, Professeur en systèmes de matériaux intelligents pour une production innovante à l'Université de la Sarre et directeur général du Centre de mécatronique et de technologie de l'automatisation (ZeMA). © Oliver Dietze / Paul Motzki, professeur de systèmes de matériaux intelligents pour une production innovante à l'Université de la Sarre et directeur général du Centre de mécatronique et de technologie de l'automatisation (ZeMA). © Oliver Dietze

Pour rendre la technologie visible aux visiteurs du salon, les chercheurs ont construit cette démonstration : la feuille intelligente aspire un vide dans une cloche à vide. Cela devient visible avec le ballon rouge, qui se « gonfle » à l’intérieur de la cloche en verre — une disposition semblable à celle de l’enseignement de la physique : comme l’air autour du ballon est aspiré, les particules d’air à l’intérieur du ballon ont plus d’espace pour se dilater — sauf que cela se fait ici sans le bruit fort du compresseur d’air comprimé. © Oliver Dietze

Compact, léger, fin et économe en énergie : une fine feuille de silicone permet une nouvelle génération de pompes et de valves miniaturisées. Elles fonctionnent dans un espace réduit, sans air comprimé, sans moteurs ni appareils, et sans lubrifiant. Elles sont compatibles avec les salles blanches et peuvent être régulées pendant leur fonctionnement. Avec le prototype d'une nouvelle pompe à vide, l'équipe des professeurs Stefan Seelecke et Paul Motzki de l'Université de Sarre présente sa technologie lors de la Foire de Hanovre.

Les machines à vide permettent aujourd'hui de conserver les aliments hermétiquement dans de nombreux foyers. Mais le vide est sollicité dans bien d'autres domaines : que ce soit dans le servofrein des voitures ou dans les systèmes d'aspiration médicale en salle d'opération, dans les laboratoires de pharmacie et de biotechnologie, et souvent aussi dans l'industrie. Sous vide, les aliments sont séchés en douceur, et les préhenseurs à ventouses trient les produits sur les convoyeurs. Pour créer le vide, c'est souvent de l'air comprimé qui est utilisé : des pompes fonctionnant en arrière-plan avec des compresseurs ou des moteurs. Ces appareils consomment beaucoup d'énergie, sont volumineux, bruyants, nécessitent de l'entretien et de l'huile, ce qui est difficile dans les environnements propres ou stériles.

Entièrement sans air comprimé ni moteurs, mais avec peu d'énergie, les pompes et valves développées par l'équipe de recherche des professeurs Stefan Seelecke et Paul Motzki à l'Université de Sarre et au Centre de mécatronique et d'automatisation (Zema) fonctionnent avec de fines feuilles de silicone, dans lesquelles le mouvement est induit uniquement par une tension électrique. « La technologie est peu coûteuse à fabriquer, les composants sont légers, ce qui permet d'économiser de l'espace et du poids. De plus, ces pompes et valves sont nettement plus efficaces énergétiquement que les procédés actuels », explique Paul Motzki. « Par rapport à une valve de processus standard pour l'air comprimé, alimentée par un électroaimant, cette même valve avec notre système d'entraînement consomme 400 fois moins d'énergie », précise le professeur en systèmes de matériaux intelligents pour une production innovante à l'Université de Sarre et directeur de Zema. Ces procédés n'utilisent pas non plus de matériaux rares ou coûteux comme les terres rares ou le cuivre. Et contrairement aux pompes alimentées par des compresseurs, ces feuilles sont également agréablement silencieuses.

Les chercheurs peuvent faire effectuer aux feuilles, d'une épaisseur de 50 micromètres, tous les mouvements souhaités. Pour cela, elles sont imprimées des deux côtés avec une couche d'électrodes conductrices, très extensible. En appliquant une tension électrique, la feuille se comprime verticalement en raison de l'attraction électrostatique et s'étend à sa surface. « Avec ces élastomères diélectriques, nous développons différentes nouvelles commandes qui ne nécessitent pas de capteurs supplémentaires », explique Paul Motzki. En modifiant le champ électrique, les chercheurs peuvent faire effectuer aux feuilles des mouvements de levage progressifs ou les faire vibrer à n'importe quelle fréquence ou amplitude. La feuille peut également maintenir toute position souhaitée, tout en consommant aucune énergie.

« Les feuilles sont leur propre capteur. La fonction d'un capteur de position est intégrée directement dans les élastomères diélectriques », indique Paul Motzki. Toute déformation de la feuille peut être associée à une valeur mesurée de la capacité électrique. Lors du plus petit mouvement, ces valeurs changent. Grâce à ces mesures, les ingénieurs peuvent déterminer comment la feuille est déviée mécaniquement, c'est-à-dire comment elle se déforme. Dans une unité de contrôle, ils peuvent utiliser ces valeurs, combinées à l'intelligence artificielle, pour programmer des mouvements. Utilisées comme actionneur dans des appareils correspondants, ces feuilles créent un vide à la pression souhaitée dans des pompes sans moteur, dosent précisément des liquides en tant que valve, ou fonctionnent comme un interrupteur sans étape.

De plus, ces pompes et valves à feuilles peuvent surveiller leur propre état et signaler où se trouve une erreur. Les valeurs de mesure indiquent si quelque chose ne va pas, par exemple si le vide n'a pas été correctement créé ou si la valve ou la pompe sont bloquées par un corps étranger. Aujourd'hui, dans de grandes installations industrielles, la recherche de pannes peut parfois être compliquée.

Avec leur dernier prototype de pompe à vide, l'équipe de recherche démontre leur technologie lors de la foire de Hanovre cette année : leur système à feuilles peut déjà atteindre une pression absolue de 300 millibars. « La technologie est facilement scalable. Nous pouvons connecter nos actionneurs et chambres de pompes en parallèle ou en série, ou les deux, pour augmenter la pression et le débit », explique Paul Motzki. Pour rendre la technologie visible aux visiteurs de la foire, les chercheurs ont construit un démonstrateur : leur feuille intelligente crée un vide dans une cloche à vide. Cela se voit sur un ballon placé à l'intérieur de la cloche en verre, qui se « gonfle » tout seul — comme dans un cours de physique : en aspirant l'air autour du ballon, les particules d'air à l'intérieur ont plus d'espace pour se dilater — mais ici, tout cela se passe sans le bruit fort du compresseur d'air comprimé.

Les chercheurs peuvent intégrer leur technologie de pompes et de valves à feuilles dans diverses formes, elle est adaptée à la production de masse et peut être développée en quelques années pour devenir un produit standard. Lors de la foire de Hanovre, ils recherchent des partenaires industriels pour cela.

Contexte

Dans l'équipe des professeurs Stefan Seelecke et Paul Motzki, de nombreux jeunes chercheurs travaillent également sur la technologie des élastomères diélectriques dans le cadre de plusieurs thèses. Elle fait l'objet de nombreuses publications dans des revues spécialisées et a été financée dans le cadre de plusieurs projets de recherche : notamment par l'UE dans le cadre d'une bourse Marie-Curie, par le gouvernement régional de Sarre dans le cadre des projets EFRE iSMAT et Multi-Immerse, ainsi que par MESaar dans le cadre d'un collège doctoral. L'équipe de recherche utilise cette technologie pour diverses applications, en plus des valves et pompes, notamment pour des préhenseurs robotiques, des haut-parleurs, mais aussi pour des textiles intelligents ou du retour haptique.

Les chercheurs souhaitent transférer leurs résultats de recherche appliquée dans la pratique industrielle. À cet effet, ils ont créé la société mateligent GmbH, issue de la chaire, qui sera également présente sur le stand du Sarre lors de la foire de Hanovre.

Questions répondues par :
Prof. Dr.-Ing. Paul Motzki : T : +49 (681) 85787-13 ; E : paul.motzki@uni-saarland.de