Innovations des procédés de fabrication : un « moment Bessemer » pour le titane ?

Installation pilote de titane IperionX à Salt Lake City, Utah, construite avec un financement des États-Unis ... [+] Programme ARPA-E du ministère de l'Énergie.

J'ai toujours un œil sur les innovations majeures en matière de processus de fabrication, car elles peuvent être très perturbatrices pour les entreprises en place. Ils changent souvent l'économie en autorisant des méthodes de production à plus petite échelle ou moins coûteuses, peut-être en utilisant moins d'énergie ou en produisant moins de sous-produits indésirables. L'autre raison pour laquelle les innovations de processus peuvent être particulièrement intéressantes est que les fabricants en place sont généralement lents à adopter les nouveaux processus, souvent parce qu'ils disposent d'équipements de production existants qui ne sont peut-être pas encore entièrement amortis. Ou ils pourraient être totalement amortis et le coût marginal de leur utilisation est donc très faible. Cela laisse le champ libre aux parvenus pour leur causer de la douleur et de la souffrance, car les nouveaux arrivants n'ont aucun actif existant à protéger qui pourrait obscurcir leur jugement. Est-ce sur le point de se produire dans la production du titane, un métal stratégique ?

J'ai récemment eu l'occasion de m'entretenir avec Anastasios "Taso" Arima, fondateur et PDG de la start-up de titane IperionX, qui développe un nouveau processus de production. Arima a commencé notre discussion en racontant un exemple de l'importance des innovations de procédé. Il a expliqué que l'acier existe depuis 3 000 ans, mais jusqu'en 1856, c'était un produit de niche car il était très coûteux à fabriquer. Habituellement, ce sont les militaires du monde entier qui pouvaient se permettre de l'utiliser pour fabriquer des épées et des armures, même si les gens l'utilisaient également pour couper des outils comme des couteaux, des haches et des scies. Au 18e et au début du 19e siècle, l'invention des fours à flaques a fait de l'Angleterre la capitale mondiale de l'acier, bien que d'une manière très gourmande en main-d'œuvre et en énergie. En 1854, Henry Bessemer, qui travaillait sur les besoins militaires au début de la guerre de Crimée, découvrit que souffler de l'air dans du fer fondu le transformait rapidement en acier. C'était un processus violent, cependant, et Bessemer a résolu ce problème en le faisant passer à l'intérieur d'un pot en acier cylindrique qu'il a appelé un convertisseur. Cela a conduit à une multiplication par sept de la productivité, réduisant considérablement le coût de l'acier. Mais c'est en Amérique que la véritable expansion s'est produite, car la construction de chemins de fer après la fin de la guerre civile a provoqué une demande d'acier en plein essor. Entre 1864 et 1876, 13 usines de traitement Bessemer ont été construites aux États-Unis alors que la production d'acier américaine a été multipliée par 87. Et comme le prix de l'acier a chuté, ce matériau merveilleux est devenu beaucoup plus largement utilisé.

Le processus de l'acier Bessemer - Vidange d'un convertisseur. Illustration des archives Bettmann.

J'avais appelé Taso pour parler de leur procédé innovant de fabrication de titane. Il s'agit d'une nouvelle méthode qui utilise de l'hydrogène à la place du carbone : la réduction métallothermique assistée par l'hydrogène (HAMR). HAMR promet d'être à la fois écologique et beaucoup moins coûteux, ce qu'Arima appelle le "moment Bessemer" du titane. Le processus a été développé par le métallurgiste et professeur de génie métallurgique à l'Université de l'Utah, le Dr Z. Zak Fang, sous le parrainage du programme ARPA-E du Département américain de l'énergie, leur version de DARPA. "Notre usine pilote produit six tonnes par an", a expliqué Arima à propos de son usine prototype dans l'Utah. "Mais ce four est un ancien qui n'a pas de refroidissement actif. Pour les nouveaux, nous cherchons non seulement à tripler la capacité, mais nous allons également réduire le temps de cycle de trois jours à un jour." Le nouveau four produira 125 tonnes par an, et la stratégie de mise à l'échelle consistera simplement à ajouter des fours en parallèle. Cette évolutivité facile est importante car l'entreprise peut ajouter de la capacité en fonction de la demande, plutôt que d'investir dans la construction d'une immense usine et de devoir ensuite trouver des clients pour la faire fonctionner.

Comme je l'ai écrit récemment après que la Russie (d'où nous obtenions beaucoup de titane) a envahi l'Ukraine, le titane est un métal assez unique. Lui et ses alliages sont légers, très résistants à la corrosion, peuvent supporter des températures élevées et ont un rapport résistance/poids très élevé. Cela le rend très populaire dans l'industrie aérospatiale, mais il est généralement beaucoup trop cher à utiliser dans les produits de consommation. La raison pour laquelle la production conventionnelle est coûteuse est qu'elle utilise le procédé Kroll pour convertir d'abord les minerais de titane à l'aide de coke (de charbon métallurgique) et de chlore en tétrachlorure de titane (TiCl4). Le TiCl4 doit ensuite être distillé sous vide pour le purifier, et la vapeur est introduite dans un récipient de réaction contenant du magnésium fondu recouvert de gaz argon inerte et chauffé à 800 - 1000 ºC pendant environ deux jours. Cela donne une éponge de titane qui doit être broyée pour éliminer les sels de magnésium. Le processus HAMR, en revanche, utilise la moitié de l'énergie, réduit les émissions de plus de 30% (et potentiellement à zéro si l'on utilise des énergies renouvelables) pour alimenter les fours. Il réduit considérablement le coût de production du titane. La majorité des économies proviennent de l'élimination à la fois de l'étape de chloration et de la distillation sous vide.

L'entreprise peut également utiliser des déchets de titane comme matière première. L'industrie aérospatiale produit des pièces en alliage de titane à partir de lingots forgés, et une grande partie des matériaux sont usinés et deviennent de la ferraille. Selon une estimation, sur les 90 à 120 tonnes de pièces en alliage de titane utilisées dans la production d'un Boeing 787, 85% d'entre elles sont devenues des "copeaux" - les copeaux de métal enlevés par les outils de coupe. Les copeaux sont collectés et nettoyés, puis peuvent être refondus. Mais inévitablement, la concentration en oxygène est trop élevée, il est donc difficile de produire du titane de haute qualité à partir de déchets. Le processus HAMR change cela car il peut réduire la teneur en oxygène de ces déchets lors de leur traitement.

La poudre de titane sphérique IperionX peut être utilisée dans la fabrication additive par fusion laser.

La poudre sphérique de titane, le matériau produit par le procédé HAMR, est prête à être utilisée directement dans la fabrication additive. Il se vend généralement entre 150 et 250 dollars le kilogramme, selon Arima. Il pense qu'ils pourront réduire les coûts de fabrication de plus de 75 %. Fait intéressant, la société ne cible pas les applications aérospatiales. "Il faut trop de temps pour se qualifier pour les applications de vol", m'a-t-il dit. Ils se tournent plutôt vers des applications légères dans le secteur automobile et les produits de consommation. J'aime beaucoup cette stratégie car cela signifie qu'ils pourront "s'entraîner" et affiner leurs processus pour les clients moins exigeants qui "payeront leurs frais de scolarité" pendant qu'ils apprennent. Puis, à mesure qu'ils s'améliorent, ils pourront peut-être s'attaquer à l'aérospatiale. J'ai toujours mon Mac PowerBook G4 gainé de titane vers 2005, mais Apple AAPL est passé à l'aluminium, probablement parce que le titane était alors beaucoup trop cher. Peut-être qu'IperionX va changer tout cela et le rendre à nouveau pratique. J'ai dit à Taso que ce que je voulais vraiment, c'était des panneaux latéraux en titane pour ma voiture. De cette façon, je me sentirais plus résistant en conduisant dans le trafic de Boston.