Lorsqu’un client du secteur des semi-conducteurs s’est tourné vers nous à la recherche de joints exempts de substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS) pour une application hautement critique, la talentueuse équipe de scientifiques, d’ingénieurs et de techniciens de Greene Tweed (GT) s’est immédiatement mise au travail. Elle a mis au point des élastomères sur mesure de nouvelle génération, exempts de PFAS, qui répondent aux exigences extrêmes du client en matière de propreté et de performances, et qui pourraient même surpasser le FKM actuellement utilisé dans cette application. Conçues à l’origine pour la fabrication de semi-conducteurs, ces solutions d’étanchéité sans PFAS sont prometteuses pour de nombreux secteurs confrontés à des objectifs similaires en matière de durabilité et de performances . La compression de l’hydrogène pousse les matériaux à leurs limites. Son faible poids moléculaire oblige les compresseurs centrifuges à fonctionner à des vitesses extrêmes, bien au-delà de ce que peuvent supporter les roues métalliques conventionnelles. Pour relever ce défi, une équipe de Greene Tweed en Suisse a mis au point une roue fermée en matériau composite capable d’atteindre une vitesse périphérique record de 688 m/s, soit près du double des limites des roues métalliques conventionnelles qui fonctionnent généralement à des vitesses allant jusqu’à 360 m/s pour les modèles fermés et 500 m/s pour les modèles ouverts avant rupture.    

En reconnaissance de cette réussite, Greene Tweed (GT) a décerné son prestigieux Prix de l’Innovation — qui met en avant et récompense les efforts exceptionnels visant à repousser les limites de l’innovation et de la collaboration — à l’équipe de trois personnes à l’origine de ce développement : Samuel Stutz, responsable technologique ; Sébastien Kohler, chercheur senior ; et Lionel Germanier, ingénieur de niveau II. 

Peu après cet événement exceptionnel, au cours duquel le directeur général de la division Composants structurels et techniques George Rawa leur a remis le prix sur notre site d’Yverdon-les-Bains, en Suisse, nous avons rencontré l’équipe lauréate pour en savoir plus sur la roue en matériau composite et son impact sur le développement d’infrastructures d’énergie propre à grande échelle.  

 1. Commençons par la raison pour laquelle vous êtes récompensé. Pouvez-vous nous en dire plussur la roue en compositePEEKet son impact sur le secteur des énergies propres ?   

Samuel Stutz: Partout dans le monde, on observe une forte dynamique en faveur de la décarbonisation des processus industriels et des transports afin de limiter l’augmentation des niveaux de CO₂ dans l’atmosphère. Les entreprises qui fabriquent, par exemple, du verre, du carrelage, des briques, du béton ou de l’acier, dépendent toutes d’une flamme à haute température, alimentée actuellement au gaz naturel. L’hydrogène semble être un substitut potentiel pour ces procédés en continu. C’est pourquoi de nombreuses régions prévoient d’énormes investissements dans des gazoducs d’hydrogène. Il s’avère que cela pose de nombreux défis techniques majeurs. 

Le principal défi que nous avons relevé grâce à cette innovation est la compression en continu de l’hydrogène dans un compresseur centrifuge. En effet, l’hydrogène, qui est la molécule la plus légère, nécessite des vitesses de rotation incroyablement élevées (vitesse périphérique réelle) pour que la roue fonctionne efficacement. Alors que les roues métalliques actuelles peuvent tourner à des vitesses périphériques avoisinant la vitesse du son dans l’air, l’hydrogène nécessite des vitesses plus de deux fois supérieures à cette valeur. Les forces centrifuges déchireraient les rotors métalliques bien avant d’atteindre ces valeurs. Ce n’est que grâce à la résistance exceptionnelle et à la légèreté des matériaux composites que ces conditions extrêmes peuvent être atteintes.  

Sébastien Kohler :Bien que l’idée de tirer parti du rapport résistance/poids plus élevé des composites dans la fabrication d’une roue ne soit pas nouvelle, la fabrication effective d’une pièce à la hauteur des attentes s’avère bien plus complexe en raison de la complexité des procédés de fabrication impliqués. Les connaissances approfondies de notre équipe en matière de mise en œuvre des composites thermoplastiques, ainsi que son ingéniosité, nous ont permis d’exploiter pleinement le potentiel de ces matériaux dans une application présentant une géométrie aussi complexe.  

2. Pouvez-vous nous raconter le parcours qui a mené à l'obtention de ce prix ?   

Lionel Germanier: Ce projet n’a pas été ni court ni simple. Nous avons dû procéder à plusieurs itérations, réaliser des tests sur échantillons et passer par plusieurs cycles d’amélioration des processus. Je travaille sur ce projet depuis mon arrivée chez Greene Tweed en 2020 ; c’est donc vraiment gratifiant de voir tous les efforts déployés par l’équipe suisse pour dépasser notre objectif de vitesse périphérique de 600 m/s récompensés de la sorte. 

Nous avons commencé par adopter une approche de conception différente, mais les résultats n'ont pas été à la hauteur de nos attentes. Nous avons dû revoir le placement des fibres et déterminer l'architecture la plus adaptée, capable de résister aux contraintes élevées auxquelles la roue est soumise pendant les essais. 

Le montage de la pièce dans la machine d'essai revêt également une grande importance. À grande vitesse, tous les éléments subissent une dilatation ; il est donc nécessaire de maintenir la roue au centre de rotation, sans quoi elle présentera un déséquilibre susceptible d'entraîner des contraintes supplémentaires sur la pièce et de provoquer des vibrations. Nous avons consacré beaucoup de temps à réfléchir et à simuler l'influence que différentes architectures pourraient avoir dans ce cas de charge complexe.   

3. Comment décririez-vous son impact ?   

Sébastien : Cette innovation constitue une étape décisive pour ouvrir la voie à une future économie de l'hydrogène, que celui-ci soit consommé directement ou qu'il serve à stocker et/ou à transporter de l'énergie provenant d'autres sources. D’une manière ou d’une autre, de très grands volumes d’hydrogène gazeux seront produits et acheminés pour soutenir les énergies renouvelables.  

Pour être rentables, de tels débits de gaz élevés nécessitent l’utilisation de compresseurs centrifuges, et ces derniers doivent être équipés de roues à rotation plus rapide pour pouvoir comprimer de l’hydrogène pur. Sans cette roue, l’hydrogène devrait être mélangé à des gaz plus lourds pour permettre la compression, puis les gaz devraient être séparés à nouveau avant utilisation, ce qui entraînerait des coûts supplémentaires importants et compliquerait considérablement le processus. 

De plus, les compresseurs centrifuges sont également limités à l’heure actuelle par les contraintes liées au matériau des roues dans certaines autres applications existantes, telles que la compression du méthane, du dioxyde de carbone supercritique ou de l’ammoniac. Une roue en matériau composite pourrait également s’avérer utile dans ces cas-là, en augmentant le taux de compression de chaque étage, ce qui permettrait de concevoir des machines plus petites, moins coûteuses et comportant moins d’étages.   

4. Comment envisagez-vous la trajectoire de cette roue ?  

Sébastien : Il nous reste encore beaucoup de travail à accomplir pour mieux prédire le comportement de nos composites dans ce type d’application. Les modèles numériques traditionnels se sont toujours appuyés sur la prédiction de la résistance et des dommages pour des cas de charge bien contrôlés, dans lesquels les charges s’exercent dans le plan des pièces. Dans le cas présent, nous sommes confrontés à des charges importantes hors plan et à des charges multidirectionnelles, ce qui nécessite le développement de nouveaux modèles et de nombreux essais expérimentaux afin d’étayer ces travaux avec des données utiles et de haute qualité.   

Cette avancée permettra d’accélérer l’assistance client pour les projets liés aux roues, en réduisant d’un dixième le temps nécessaire à l’analyse par éléments finis (FEA) et en améliorant la prévisibilité des performances. C’est un défi aussi passionnant que stimulant, et je suis très heureux que nous ayons pu nouer un partenariat avec une université suisse et bénéficier d’un financement public suisse important pour cette recherche.   

 5. Quels ont été les enseignements ou les idées les plus marquants que vous avez tirés de cette expérience ?   

Lionel: Faites preuve de curiosité et lancez-vous, même si, en théorie, cela semble impossible ou n’a jamais été fait. Vous en tirerez toujours des enseignements qui pourront s’appliquer à un autre projet. Bien sûr, cette expérience a contribué à mon épanouissement. Quand j’ai rejoint Greene Tweed, je n’avais que très peu d’expérience dans le domaine des matériaux composites. Avoir grandi avec ce projet a été vraiment enrichissant.  

 6. Souhaitez-vous rendre hommage à d'autres collaborateurs ou responsables qui ont contribué à soutenir ou à favoriser le processus d'innovation ? 

Samuel : Cette innovation est le fruit d’une équipe exceptionnelle qui travaille chaque jour dans un souci d’innovation et d’optimisation. Je tiens également à remercier Nenad Srejic (chef de production) et Mico Kovcic (technicien) pour le moulage, ainsi que Guillaume Aeby (technicien senior) et Jérémy Frutig (apprenti) pour l'usinage de ces pièces. Ce projet est d'envergure et s'inscrit dans la durée. Le soutien et la confiance que l'entreprise nous a témoignés au fil des années en sont clairement la clé de voûte et constituent un magnifique témoignage d'une culture de l'innovation bien vivante.

Sébastien : Il s’agit véritablement d’un travail d’équipe, et l’intégration verticale ainsi que l’agilité de cette unité au sein du groupe « Advanced Technology » de Greene Tweed, dédiée au soutien de la division « Structural and Engineered Components » (SEC), ont été déterminantes pour atteindre cet excellent résultat. Il ne faut pas non plus sous-estimer le courage dont ont fait preuve la division SEC et ses dirigeants, qui ont considéré ce projet comme un « pari audacieux » et l’ont financé en interne en tant que projet de développement technologique (TD) pendant plus de cinq ans, ce qui nous a permis d’obtenir des résultats garantissant l’engagement commercial des clients.

7. Auriez-vous des conseils à donner aux futurs innovateurs ?     

Samuel :Si vous avez une idée qui semble difficile à concrétiser et que vous n’êtes pas sûr que le résultat final justifie tous ces efforts, n’abandonnez pas, voyez plus grand. Demandez-vous : que faudrait-il pour transformer votre idée d’une « bonne idée » en une idée exceptionnelle que tout le monde voudra ? Tirez parti de la force de l'équipe, partagez et discutez de vos réflexions pour trouver de bonnes idées, puis faites-en des idées géniales !