La chauve-souris est le parrain de la transformation numérique
Économiser les ressources avec le laboratoire de peinture virtuel
Des simulations numériques plutôt que des essais et des erreurs : dans le cadre du projet PaintVisco, les chercheurs de l'IPA modélisent le développement et le traitement des peintures. Les données sont fournies par un rhéomètre de conception nouvelle, qui permet pour la première fois de mesurer avec précision les propriétés viscoélastiques des peintures lors du séchage et du durcissement - le développement technologique s'est inspiré de l'écho-localisation des chauves-souris.
Image symbolique
Computer generated picture
Appareil de mesure transformé
Fraunhofer IPA
Combien de temps la peinture reste-t-elle fluide ? Comment compense-t-elle les irrégularités ? Dans quelles conditions la surface lisse souhaitée se forme-t-elle ? "Jusqu'à présent, les peintres devaient procéder à des essais par essais et erreurs, coûteux en temps et en argent, pour savoir quand une couche de peinture s'écoulait de manière optimale", explique le Dr Fabian Seeler. Dans le cadre du projet PaintVisco, il a maintenant élaboré un programme de simulation qui permet de déterminer virtuellement les propriétés des peintures.
Le développement du modèle informatique a été un véritable défi pour le chercheur de l'IPA et son équipe, car les peintures sont viscoélastiques. Cela signifie qu'elles modifient leurs propriétés en fonction du temps et de la température : Dans un premier temps, elles se comportent plutôt comme des liquides, puis plutôt comme des solides. La viscoélasticité est à son tour décisive pour prévoir l'évolution, c'est-à-dire la capacité d'un vernis à compenser les irrégularités - il peut s'agir de traces de pinceau superficielles, mais aussi de pores, de structures ondulées et de bords sous la couche de vernis.
Une nouvelle technique de mesure fournit les données
Pour simuler ce comportement très complexe des peintures, il faut une multitude de données. Les appareils de mesure qui doivent les fournir s'appellent des rhéomètres rotatifs. Ils déterminent la fluidité des peintures en faisant tourner ou vibrer un mince échantillon de peinture liquide sur lequel est posé un disque, puis en mesurant la force nécessaire à la déformation. "Les appareils utilisés jusqu'à présent empêchent toutefois l'évaporation des solvants, les résultats n'ont donc qu'une pertinence limitée pour l'industrie de la peinture. De plus, de telles mesures ne montrent toujours qu'une petite partie du comportement du matériau, choisie arbitrairement, car on ne mesure souvent qu'avec une seule fréquence de vibration", rapporte Seeler. Or, pour les calculs de prévision de l'évolution, il faut des informations beaucoup plus complètes sur le comportement du matériau, par exemple le comportement d'un échantillon de peinture à de nombreuses fréquences.
Avec son équipe, il a développé une nouvelle technique de mesure. La nature nous a servi de modèle : "Nous avons copié le principe de mesure sur la chauve-souris", se souvient le chercheur. La chauve-souris utilise de courts cris ultrasoniques pour s'orienter : chaque cri contient des basses et des hautes fréquences - qui s'entremêlent de manière fluide - et qui sont réfléchies par l'environnement. L'écho permet par exemple à la chauve-souris de reconnaître les obstacles ou les proies. En répétant le cri, la chauve-souris peut suivre l'évolution de la distance par rapport à un obstacle ou le déplacement de la proie au fil du temps.
Le rhéomètre PaintVisco fonctionne, tout comme la chauve-souris, avec des fréquences qui s'enchaînent de manière fluide. Toutefois, ce ne sont pas les cris ultrasoniques qui varient, mais les fréquences avec lesquelles l'échantillon de peinture est déformé. La répétition de la séquence de fréquences permet de saisir la modification des propriétés viscoélastiques de la peinture lors de la prise. Grâce à cette forme de signal particulière, il est possible de déterminer toutes les données nécessaires au pronostic de l'évolution dans un délai très court, souligne Seeler.
Grâce à cette nouvelle technique de mesure, les chercheurs de l'IPA peuvent désormais prendre en compte l'évaporation des solvants, si importante pour l'industrie : Dans leur rhéomètre, la couche de peinture n'est plus déformée par un disque fermé, mais par une construction composée de plusieurs anneaux. Les ouvertures entre les anneaux permettent au solvant de s'évaporer.
"Nos mesures ont montré que la technique de mesure multifréquence permet de déterminer la modification des propriétés viscoélastiques de la couche de peinture tout au long du processus de peinture - de l'application à la réticulation dans un four en passant par le séchage à température ambiante", rapporte Seeler. "À l'aide de ces données, nous pouvons désormais non seulement suivre les modifications des propriétés matérielles d'une couche de peinture qui déterminent son évolution pendant la prise, mais aussi établir des prévisions numériques d'évolution et en déduire des propriétés de peinture optimisées - que les surfaces de peinture aient été créées au pinceau ou avec un pulvérisateur".
Des simulations qui permettent d'économiser des ressources
Le développement et le lancement d'une nouvelle peinture prennent plusieurs années et engendrent des coûts de plusieurs millions d'euros. Les simulations PaintVisco pourront à l'avenir aider les fabricants à optimiser l'évolution de leurs vernis dès le stade du développement, à lancer plus rapidement de nouveaux produits sur le marché et à les doter d'informations supplémentaires pour les utilisateurs. Des informations détaillées aideraient les entreprises de peinture à économiser des essais coûteux et à obtenir plus rapidement des résultats optimaux - des avantages qui peuvent être décisifs pour la compétitivité à une époque où les prix du gaz et de l'électricité augmentent et où le personnel manque.
Récompenses
Des prix soulignent déjà l'importance des résultats du projet pour l'industrie. Fabian Seeler a supervisé le travail de fin d'études de Nicolas Keinath. Celui-ci a été récompensé par le prix des diplômés de l'université d'Esslingen, offert par le fabricant de vernis Mankiewicz. Oliver Tiedje, Seeler a également reçu le prix de la chimie des peintures de la Société des chimistes allemands.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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