Les ponts en acier, les structures porteuses et les charpentes industrielles sont conçus pour durer des décennies, mais les fissures de fatigue finissent toujours par apparaître. Remplacer un composant installé de façon permanente est souvent impossible en pratique, c’est pourquoi des chercheurs de l’institut de recherche suisse Empa testent une autre approche : réparer l’acier en place avec l’impression 3D métal.
Cette approche repose sur la fabrication additive par fil et arc électrique (WAAM), un procédé dont les subtilités ont déjà été expliquées à plusieurs reprises dans ces pages. Pour rappel, dans le procédé WAAM, un bras robotisé fait passer un fil de soudage à travers un arc électrique, déposant le métal couche par couche directement sur la zone endommagée, plutôt que d’assembler deux pièces distinctes comme le fait le soudage conventionnel.
Dans ces travaux spécifiques, Empa s’intéresse avant tout à la forme de la réparation plutôt qu’à la quantité de métal déposée. « L’essentiel n’est pas d’appliquer autant de matériau que possible », explique Hossein Heydarinouri, du laboratoire d’ingénierie structurelle de l’Empa. « La forme est bien plus importante : une géométrie optimisée répartit les contraintes de telle sorte que la propagation des fissures existantes soit stoppée ou considérablement ralentie. »
Dans le cadre d’un travail de master mené conjointement avec l’ETH Zurich, les chercheurs ont multiplié jusqu’à quatre fois la durée de vie utile de plaques d’acier endommagées grâce à cette méthode, les géométries de renforts en deux couches et en escalier s’étant révélées les plus efficaces lors des essais de charge répétée.
L’étude est tout aussi claire sur les risques d’une géométrie mal conçue : des renforts mal pensés peuvent créer de nouvelles concentrations de contraintes à l’interface entre l’acier d’origine et le métal imprimé, un rappel que la réparation par WAAM relève de l’ingénierie de précision, et non d’un simple rafistolage.
Au delà de la réparation de fissures, l’équipe d’Empa explore également une conception structurelle intelligente : des éléments métalliques conçus pour se déformer et absorber l’énergie sous des charges extrêmes, puis retrouver leur forme d’origine, avec un potentiel d’utilisation comme composants d’amortissement contre les séismes ou les vibrations dans les ponts et les bâtiments. La scientifique des matériaux Maryam Mohri étudie de son côté les alliages à mémoire de forme pour pousser plus loin cette capacité d’adaptation.
Concernant le déploiement, les chercheurs indiquent que les robots WAAM industriels sont difficiles à déplacer sur site. De plus, les composants endommagés doivent généralement être transportés en atelier pour être réparés, ce qui n’est pas toujours réaliste pour des structures installées de façon permanente.
Les travaux d’Empa positionnent le WAAM comme un outil de maintenance pour les infrastructures vieillissantes, un champ d’application qui a reçu bien moins d’attention que les cas d’usage en production, à l’image de ceux observés sur le campus de fabrication additive de BMW.
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