L’institut de recherche Fraunhofer IWM a annoncé un nouveau projet susceptible d’économiser des milliers de tonnes d’acier grâce à une combinaison de numérisation 3D et d’IA.
Les tours d’éoliennes offshore, les grues et les bras d’excavatrices sont souvent construits plus lourdement que nécessaire, car la qualité de leurs soudures n’est jamais mesurée objectivement. Dans le cadre du projet ORka3D, financé par le ministère fédéral allemand de l’Économie et de l’Énergie (BMWE), une nouvelle approche est développée pour évaluer les cordons de soudure, prédire la fatigue et réduire la quantité de matériau utilisée.
Comment fonctionne cette nouvelle méthode
Le problème réside dans l’entaille qui se forme à l’endroit où les soudures rejoignent le matériau de base, un point où commencent la plupart des fissures de fatigue. Sa forme varie selon le procédé de soudage, le guidage de la torche et même les performances du soudeur ce jour-là.
Les règles de conception supposent donc la géométrie admissible la plus défavorable et classent les assemblages selon des classes d’entaille conservatrices, appelées classes FAT. Une soudure meilleure que la moyenne ne bénéficie ici d’aucun crédit supplémentaire, de sorte que les composants résultants embarquent de fait un excédent d’acier.
Pour résoudre ce problème, un consortium dirigé par Fraunhofer IWM a développé un procédé dans lequel les surfaces de soudure sont mesurées numériquement à l’aide de scanners 3D capables de mesurer avec une distance entre pixels allant jusqu’à 5 microns.
Un algorithme extrait ensuite les principaux paramètres géométriques, surtout le rayon du pied de soudure, que les normes actuelles ne couvrent pas. Un réseau neuronal utilise ces données pour déterminer le facteur d’entaille individuel de l’assemblage et prédire sa durée de vie en fatigue. L’approche de l’équipe a déjà été validée sur environ 400 éprouvettes et sur des structures réelles, notamment des flèches de grue et des bras d’excavatrices.
« L’entaille géométrique au croisement du cordon est connue depuis des décennies comme un point faible, mais elle est jusqu’à présent restée non résolue, car chaque cordon est géométriquement unique », explique le responsable du projet, le Dr Jan Schubnell de Fraunhofer IWM. « Grâce aux numérisations 3D haute résolution et aux réseaux neuronaux, nous pouvons pour la première fois capturer et évaluer objectivement cette individualité – la conception des structures soudées pourrait ainsi économiser beaucoup plus de matériau. »
Économies dans l’énergie éolienne et l’industrie lourde
Selon les chercheurs, une meilleure évaluation des soudures pourrait retirer environ 180 tonnes d’acier de la tour de 600 tonnes d’une éolienne offshore de 10 mégawatts.
Sur les 30 gigawatts de capacité offshore prévus en Allemagne d’ici 2030, cela représente 360,000 tonnes d’acier et des millions de tonnes de CO2. La construction de ponts et les engins de chantier pourraient également en bénéficier. La méthode en est encore au stade du démonstrateur, et des partenaires tels que Liebherr et Volvo Construction Equipment travaillent à son intégration dans la réglementation.
Le rôle des scanners 3D portables
Le projet a utilisé la numérisation par ligne laser et par lumière structurée, toutes deux disponibles sous forme portative – et le marché offre de nombreuses options pour réaliser ce type de projet.
L’Artec Point II basé sur le laser convient aux mesures de qualité métrologique sur les métaux brillants et sombres, tandis que l’Artec Spider II à lumière structurée capture les détails fins de petites caractéristiques telles que les pieds de soudure et les profils de cordon. Pour les grands assemblages, l’Artec Leo sans fil permet aux inspecteurs de capturer un cordon sur toute sa longueur. Artec Neo prend également en charge des travaux hybrides pour la numérisation 3D avec et sans cibles.
Les numérisations peuvent ensuite être analysées dans Artec Studio ou Geomagic Control X au sein d’un flux de travail d’inspection qualité, comme ceux employés pour les boîtes de vitesses industrielles et l’inspection et la réparation ferroviaires. À mesure que l’analyse par IA des données de numérisation mûrit, comme dans un récent projet ayant utilisé la numérisation 3D et l’IA pour booster une Renault Twingo, les numérisations devraient influencer la manière dont les structures soudées sont conçues, ainsi que leur contrôle.
