Tribologie 4.0 : De Da Vinci à la digitalisation.

Le mot tribologie a été proposé par Peter Jost 1
en 1966 et est basé sur le mot grec
« tribos » qui signifie frotter. Il s’agit donc de la science du frottement. Son but est
de regrouper sous une seule terminologie l’ensemble des sciences du frottement :
— Contact des surfaces ;
— Usure ;
— Frottement ;
— Lubrification

En effet c’est la publication du rapport Jost en 1966, qui a attiré l’attention sur les impacts économiques importants du frottement et de l’usure sur l’économie du Royaume-Uni. 

La présence de frottement dans un contact glissant conduit à une perte d’énergie mécanique qui est transformée en chaleur. D’autre part, il conduit à une
détérioration des surfaces par usure, fissuration thermique, fatigue comme le montre la
figure.

La conférence internationale inaugurale NextLub sur la tribologie et la lubrification durable s’est tenue à Düsseldorf, en Allemagne, du 18 au 19 avril 2023. Au cours de l’événement, le Dr Markus Grebe, directeur scientifique du Centre de compétence pour la tribologie à Mannheim, en Allemagne, a fait une présentation sur Tribométrie 4.0 – Tests tribologiques – Quo Vadis ? où il décrit l’évolution de la tribologie.

Grebe travaille en tribologie depuis plus de 27 ans et supervise actuellement une équipe d’environ 20 employés techniques et scientifiques. Il est actif dans les groupes de travail de l’Institut allemand de normalisation (DIN) et de l’ASTM International.

Les études quantitatives de Léonard de Vinci ont noté pour la première fois deux lois fondamentales du frottement en 1493. La tribologie 2.0 a coïncidé avec le développement du « Vier Kugel Apparat » (VKA) ou « test à 4 balles » – pour évaluer le comportement extrême pression (EP) des huiles – chez Royal Dutch/Shell en 1933. Grebe catégorise l’arrivée du tribomètre de haute précision SRV 1 en 1978 jusqu’au SRV 5 (depuis 2013) comme tribologie 3.0. La machine de test SRV polyvalente évalue les interactions physiques sous contact chargé dans un mouvement oscillatoire rotatif ou linéaire et dispose actuellement du plus grand nombre de méthodes de test.

Au cours de sa présentation, Grebe a identifié la mobilité électrique, la durabilité et les nouvelles possibilités technologiques comme les principaux moteurs de la prochaine phase de la tribologie, ou tribologie 4.0. Cependant, ils posent également des défis importants aux tribologues, dit-il.

Dans le domaine de la durabilité, les tribologues sont aux prises avec la nécessité de remplacer des matériaux connus et performants tels que le plomb, les cendres sulfatées, le phosphore et le soufre (SAPS), les additifs contenant des métaux, les substances perfluoroalkylées et polyfluoroalkylées (PFAS). Pour compliquer davantage les choses, de nombreux tests visant à évaluer de nouveaux matériaux et molécules restent en phase de développement, explique Grebe. Il a également noté la prévalence croissante des fluides à faible viscosité, en partie à base d’eau, ce qui représente un « grand défi » pour l’avenir.

Un nombre de révolutions plus élevé est associé à des problèmes de durée de vie. Des tests plus longs sont nécessaires – au moins cinq exécutions, et non deux comme nous le faisons généralement, explique Grebe. Les fonctions importantes d’évaluation statistique et de prédiction à partir de tests raccourcis ont également été notées. Les défis en matière de durabilité incluent une augmentation des tribosystèmes spéciaux ou secs, qui nécessitent des tests de polymères, de revêtements antifriction et de revêtements durs. La présentation de Grebe a également souligné la nécessité d’enquêtes dans le domaine de l’hydrogène.   

La technologie d’entraînement électrique crée des défis nouveaux et variés. Les tribologues doivent prendre en compte des vitesses et des forces centrifuges plus élevées, des fluides à faible viscosité et à faible frottement, la gestion thermique, la compatibilité des matériaux, les courants électriques, les problèmes de durée de vie – en raison du nombre plus élevé de cycles de charge – et bien plus encore. Malgré ces problèmes, Grebe pense qu’il existe un grand potentiel dans le développement ultérieur de la technologie de test, et il est devenu de plus en plus important. 

L’objectif de Tribology 4.0 est de « comprendre la tribologie plutôt que de générer des valeurs caractéristiques pour les brochures publicitaires », explique Grebe. Nous devons comprendre ce qui est important, dit-il.

Néanmoins, le tribologue allemand a souligné un manque de méthodes de test disponibles. Une revue de littérature récente, Liquid Lubricants in high-speed application, menée par Stahl et Poll, a déterminé que les méthodes d’essai établies pour le tribo-examen des lubrifiants liquides ne couvrent pas les plages de vitesse de fonctionnement requises. Les méthodes existantes se concentrent sur des vitesses plus faibles avec des charges plus élevées. L’étude a également noté un besoin de recherches supplémentaires sur la capacité de charge et l’efficacité à haute vitesse pour les applications d’engrenages. Les modèles de dommages doivent être examinés pour les roulements à rouleaux dans les plages de vitesse élevée afin de déterminer leur relation avec la formulation du lubrifiant et d’évaluer s’ils sont comparables aux dommages à des vitesses inférieures. De plus, il n’existe pas de méthode d’essai standard pour l’influence du passage du courant sur le lubrifiant et les roulements.

La tribologie du futur nécessite une technologie de mesure de pointe. Grebe a souligné le besoin d’une gamme de nouveaux bancs de test capables de simuler les problèmes émergents d’une manière orientée application, qui doit également être accompagnée de nouvelles normes. Grebe a souligné l’importance des bancs d’essai avec des vitesses élevées et des valeurs de vitesse supérieures à 24 000 tours par minute (rpm) et 1,5 million de millimètres par minute. Les bancs d’essai doivent également devenir plus modulaires, afin de pouvoir être étendus et personnalisés, dit-il.

Les bancs d’essai nécessitent des applications de charge dynamique qui combinent des charges radiales et axiales, et doivent fonctionner dans des conditions environnementales particulières, notamment l’hydrogène, le vide poussé et la salle blanche. Il faut innover autour de l’association de la gestion thermique avec des fluides aqueux peu visqueux. Grebe a souligné le rôle plus important des systèmes d’inspection en ligne à l’avenir, tels que la documentation vidéo pour comprendre ce qui se passe aux points de friction, les capteurs de particules en ligne et une gamme de mesures en ligne. Malgré l’absence de méthodes de test, les groupes de travail sont « très actifs », avec de nombreux développements en cours sur les propriétés électriques des lubrifiants, dit-il. 

La tribologie est en constante évolution. Grebe a décrit les opportunités offertes à la tribologie par la numérisation, y compris le rôle de « jumeau numérique » étroitement lié à la technologie de test. Un jumeau numérique fait référence à la représentation numérique d’un objet physique qui permet de modifier des paramètres dans une simulation numérique. Les problèmes peuvent être identifiés et résolus avant de passer à la production. Cependant, Grebe a noté des difficultés liées à la comparaison des simulations et des applications réelles.

Des opportunités existent dans l’apprentissage automatique via l’analyse multidimensionnelle de données de mesure complexes et son utilisation dans la prédiction de tests tribologiques. Les signaux de mesure seront importants, y compris la reconnaissance des états de fonctionnement tels que le frottement aux limites, le frottement mixte, l’hydrodynamique et la défaillance/grippage soudain. Bien qu’une prédiction plus précise des résultats des tests soit disponible, Grebe a noté les défis liés à la sélection et à la validation des algorithmes et à la prédiction des valeurs de mesure complexes à partir des données d’image. ( Source : fuelsandlubes )