énergies

Les besoins énergetiques pour la transformation des matériaux

Analyse des technologies de chauffage industriel par rayonnement et de leurs avantages

Le 4 septembre 2023

Par Serge MONTEIX, Expert Manufacturing & Transformation

Le chauffage industriel joue un rôle vital dans nombre de procédé de transformation des matériaux, qu’ils soient métalliques ou polymères. Les procédés de chauffage sont utilisés pour modeler, durcir, ramollir, fondre ou polymériser ces matériaux, et ces étapes consomment des quantités significatives d’énergie. Bénéficier des avantages des différentes technologies de chauffage en vue d’obtenir les performances visées des produits à mettre en forme, tout en maîtrisant les coûts énergétiques, constituent un enjeu capital pour l’industrie manufacturière d’autant plus que les ressources énergétiques sont limitées et leur prix en constante augmentation.

L’atteinte de cet objectif exige cependant une certaine expertise non seulement des propriétés des matériaux (optiques, thermophysiques), mais également de leurs comportements particuliers en correspondance des spécificités de chaque technologie de chauffage utilisée.

Les spécificités de principales technologies de chauffage sont rappelées ci-après. Les technologies mettant en œuvre de fortes densités de puissance (> 100 KW/m2) telles que les tubes halogènes et les VSCEL sont plus particulièrement développées.

Les principaux émetteurs infrarouges actuels

Les émetteurs infrarouges sont largement utilisés dans l’industrie pour leur capacité à fournir un chauffage ciblé sur des zones limitées de l’espace et de manière rapide. Les tubes halogènes, les éléments céramiques et les rubans de carbone sont les trois types d’émetteurs infrarouges les plus couramment employés.

  • Les Tubes halogènes : Ces émetteurs génèrent des radiations infrarouges à partir d’une ampoule contenant un gaz halogène. Les nombreux avantages comprennent :
  • Une diversité de formes (tubes droits, anneaux).
  • Une réponse rapide, un chauffage direct sans préchauffage.
  • Une diversité de spectres d’émission selon la spécificité des filaments utilisés (susceptibles de varier entre 1 et quelques µm) et qu’il est possible d’affiner avec l’application de filtres spectraux additionnels [1].
  • Une modularité élevée en correspondance de l’utilisation de réflecteurs de différentes formes et réflectivités (diffus pour des réflecteurs céramiques ou spéculaires pour des réflecteurs polis métalliques) ; [2], [3].
  • Une durée de vie relativement longue (5000 à 10 000 heures).

Ils présentent cependant une certaine fragilité mécanique de par leur enveloppe en quartz de l’ordre du millimètre et un besoin selon les environnements de ventiler leurs extrémités au niveau de leurs connexions électriques pour garantir leur durée de vie. Leur efficacité dépend également des caractéristiques du réflecteur (géométrie, réflectivité spéculaire ou diffuse) avec lequel ils ont souvent besoin d’être associés.

Les tubes halogènes sont couramment utilisés pour le préchauffage avant diverses opérations industrielles, telles que l’injection soufflage de préformes en PET [4] ou d’autres polymères [5], le séchage et le durcissement de revêtements. Les principaux fabricants incluent Dr. Fischer Europe (Ex Philips), USHIO, Heraeus Noblelight, Toshiba Lighting.

Les Rubans de Carbone / filament de tungstène moyen (STELA)

Ils sont contenus dans un tube en quartz, mais avec une température d’émission plus faible centrée sur des longueurs d’onde de l’ordre de 2µm, permettant de s’affranchir de gaz halogène et pour des durées de vie plus longues. Les rubans de carbone ou les émetteurs infrarouge moyen sont très réactifs et produisent un chauffage instantané. Ils offrent également un contrôle précis de la température et une distribution uniforme de la chaleur. Cependant, ils peuvent être plus sensibles aux fluctuations environnementales et peuvent nécessiter un entretien régulier. Les dispositifs de chauffage à base de filament de carbone sont plus particulièrement utilisés dans les systèmes de chauffage de grandes dimensions telles que les tunnels de séchage de peinture. Heraeus Noblelight est le principal fabricant de ce type de chauffage infrarouge moyen à filament de carbone. Dr Fischer Europe développe sur cette gamme les lampes STELA.

Éléments Céramiques

Les éléments céramiques chauffent rapidement et diffusent une chaleur infrarouge homogène. Plus compact que les tubes halogènes, ils présentent une robustesse mécanique beaucoup plus grande. Cependant ils présentent une directivité spatiale très large très peu modifiable, et une plage spectrale décalé vers es longueurs d’onde moyenne-longues (3-5 µm).

Les principales utilisations concernent le thermoformage de plaques polymères [6] (ABS, PE, PS…). Ceramix est un des principaux fabricants.

Wavelength Short Medium Large
Range 0.7 – 1.4 µm 1.4 – 3.0 µm &gt ; 3.0 µm
Color of radiation Bright white Bright orange Dull orange
Radiator temperature 1300 – 2600 K 850 – 1200 K 500 – 800 K
Time to maximum temperature or peak emissive power Few seconds One minute Five minutes
Power density 300 kW m-2 90 kW m-2 40 kW-2
Common application Powder coating, adhesive bonding, metal castings, preheating Drying and curing of food products In processes requiring both convection and IR heating
Source of heating Electric Electric, gas Electric, gas
Dominant mechanism of energy absorption Vibration and rotation of atoms and molecules Vibration and rotation of atoms and molecules Vibration and rotation of atoms and molecules

Figure 1 : Comparaison des principales caractéristiques des émetteurs infrarouges

 

rappel des principaux domaines de longueurs d'onde

Figure 2 : Rappel des principaux domaines de longueurs d’onde

La nouvelle technologie infrarouge de chauffage haute puissance : les VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers)

Les VCSEL sont des lasers à semi-conducteurs qui émettent une lumière cohérente perpendiculairement à leur surface. Apparue à la fin des années 1970, la technologie VCSEL a tout d’abord été utilisée dès les années 1990 dans la transmission de données. Depuis le début des années 2000, cette technologie se retrouve dans les objets du quotidien comme les imprimantes lasers ou les souris d’ordinateurs. De nombreuses applications utilisent désormais les VCSEL : radars automobiles, reconnaissance faciale…

Leur utilisation pour des applications de chauffage industriel est cependant beaucoup plus récente.

Les premiers travaux pour une telle application correspondent aux travaux menés par Philips et Sidel [7]. Ces premiers travaux de recherche ont notamment abouti à l’industrialisation de nouveaux produits industriels via la mise en œuvre du projet européen [8] « VCSEL Pilot Line for IR Illumination, Datacom and Power Applications » qui s’est déroulé de 2014 à 2017 sous l’impulsion des principaux acteurs suivants : Philips (Ge, Ndl), IQE (UK), Sidel (Fr), Sick (Ge), STMicoelectreonics (Uk & Fr), l’Université d’Eindhoven.

Ces travaux ont effet abouti aux développements de nouveaux dispositifs industriels de chauffage infrarouge [10]-[13] dont les caractéristiques principales comme les lasers est ou les LEDS est de présenter une bande spectrale d’émission très étroite (autour de 1µm) et de très fortes densités de puissance jusqu’à 1 000 KW/m2 (du fait d’une efficacité d’émission élevée et d’une directivité élevée du faisceau du VCSEL).

Les autres caractéristiques de ces dispositifs de chauffage sont notamment :

  • Une très grande modularité dans la taille et la puissance des installations (de 9-75 KW) qu’il est possible d’adapter en installant un nombre défini de modules et les dispositifs d’alimentation électrique et de refroidissement des VCSEL nécessaire en correspondance.
  • Une très grande robustesse d’installation, du fait de l’utilisation d’une vitre de protection transparente au rayonnement.
  • Une très grande durée de vie de l’ordre de 10 000 heures.
  • Des modules unitaires compacts et légers faciles à manipuler.

Compte tenu de ces caractéristiques, leurs utilisations se sont portées sur le chauffage de Wafers (en lien avec l’industrie des semi-conducteurs). Pour le chauffage de préformes en PET, leurs intégrations semblent rester marginales, même si la précision plus élevée en termes de profils de chauffage constitue un avantage dans la perspective d‘utiliser des PET issus à 100% du recyclage.

Leur introduction pour des étapes de soudage Laser ou de traitement de surfaces, semblent se développer.

TRUMPF, qui a racheté en 2017 la société Philips Photonics, semble être le principal fabricant de ce type de module VCSEL de chauffage industriel.

Conclusion

Les besoins énergétiques dans les étapes de chauffage industriel liées à la transformation des matériaux sont considérables, ce qui rend l’efficacité énergétique des technologies de chauffage cruciale. La diversité des technologies et leurs spécificités nécessitent cependant souvent des études en vue d’obtenir la meilleure efficacité en correspondance de chaque besoin.

Ces études via le développement de nouveaux accessoires et/ou outils de modélisation ou d’expérimentation permettent d’obtenir des gains énergétiques considérables. On peut citer que les travaux menés par Dr Fischer Europe et Sidel ont permis de réduire de 40% la consommation énergétique des fours infrarouges dédiés à la fabrication des bouteilles en PET.

Compte tenu des nouvelles connaissances (des éléments chauffants et/ou des matériaux à traiter) ainsi que des nouveautés produits et/ou services apportés, on peut souligner que ces études devraient être éligibles au CIR.

 

Nos experts sont à vos dispositions pour envisager avec vos équipes les possibilités de financements (CIR, CII, Aides et Subventions vis-à-vis des projets européens ou régionaux…) qui devraient répondre à vos projets.

 

Sources

[1] Metzger, WO2010010492A2, Filtre infrarouge d’une source de lumière pour chauffer un objet., Philips, 2009.

[2] Monteix, WO2011036593A1, Installation de chauffage et dispositif réfléchissant destiné à une installation de chauffage., Dr Fischer, 2011.

[3] Monteix, EP2483046A1, Agencement d’un dispositif de contre-réflecteur destiné à être utilisé pour chauffer un objet, installation et procédé de chauffage, Dr Fischer, 2010.

[4] Monteix, Y. Le Maoult, F. Schmidt, J-P Arcens. Thermographie infrarouge appliquée à la mise en forme des bouteilles en P.E.T.. Thermogram’ 2001, Oct 2001, Lieusaint, France. p.247-256. ffhal-01798925f.

[5] Understanding of infrared heating for thermoforming of semi-crystalline thermoplastics, par Sinan Boztepe, Ecole des Mines d’Albi, 2018.

[6] Sylvia Andrieu, Fabrice Schmidt, Yannick Le Maoult. Mesures infrarouges appliquées à la modélisation du thermoformage. Colloque photomécanique 2004, May 2004, Albi, France. p.177-184. ffhal-01798903f.

[7] Moench, EP2094460B1/ Système et procédé de chauffage d’objets dans une chaîne de production ; Koninklijke Philips Electronics NV, 2007.

[8] https://cordis.europa.eu/project/id/621268

[9] High Power VCSEL Systems, Laser Technik Journal,2/20214, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/latj.201400024.

[10] Moench and G. Derra, “High power VCSEL systems,” Laser Technol. J., Wiley, no. 2 (2014).

[11] https://www.lasersystemseurope.com/sites/default/files/content/white-paper/pdfs/Philips%2520Photonics%2520-%2520Gunther%2520Derra_0%5B1%5D.pdf

[13] https://www.trumpf.com/fr_FR/solutions/applications/usinage-des-surfaces-avec-un-laser/traitement-thermique-laser/#c660886

[14] https://www.trumpf.com/filestorage/TRUMPF_Master/Whitepaper/LT/TRUMPF-whitepaper-industrial-heating-wafer-heating-EN.pdf

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