Saviez-vous que les robots humanoïdes sortent progressivement de la science-fiction pour entrer dans la réalité, sur le point de devenir une force centrale dans l’élaboration de nos vies futures ? Imaginez un avenir dans lequel un robot humanoïde dans votre maison gère non seulement facilement les tâches ménagères, mais vous tient également compagnie, prend soin des personnes âgées et des enfants et vous assiste même dans des tâches complexes au travail. Cependant, pour que cela devienne une réalité, il est essentiel de parvenir à des conceptions légères pour ces robots.

Une confrontation de matériaux légers

1. L’aluminium : le « vétéran » largement utilisé

L'aluminium occupe depuis longtemps une position importante dans le domaine des matériaux légers, bénéficiant d'un taux d'adoption élevé, en particulier dans l'industrie automobile. Selon les estimations d'Aladin, la teneur en aluminium par véhicule à énergie nouvelle a atteint 218,88 kg en 2024, tandis que celle des véhicules à moteur à combustion interne traditionnels devrait atteindre environ 180,04 kg d'ici 2025. Les avantages de l'aluminium résident dans son prix relativement abordable et son excellente aptitude au traitement ; il convient à diverses techniques de fabrication telles que l'estampage et l'usinage CNC, et sa surface se colore facilement. Cependant, dans le secteur de la robotique, où la recherche d'un poids extrême est primordiale, l'aluminium semble légèrement en deçà.

2. PEEK (Polyether Ether Ketone) : Le « matériau élite » haute performance

Le PEEK est un thermoplastique haute température connu pour ses propriétés telles que la résistance à la chaleur, la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion et l'autolubrification. Il est largement utilisé dans les secteurs haut de gamme, notamment l’électronique, l’automobile, l’aérospatiale, la défense et la santé. En termes de performances, les composites PEEK renforcés de fibres de carbone offrent une résistance mécanique élevée et une faible densité, offrant la densité la plus faible parmi les quatre matériaux légers présentés ici. Cependant, le coût du PEEK est souvent prohibitif : le leader mondial du marché, Victrex (Royaume-Uni), le vend à plus de 500 000 RMB la tonne, tandis que le producteur national Zhongyan le vend à plus de 300 000 RMB la tonne, soit des prix plus de dix fois supérieurs à ceux de métaux comme le magnésium et l’aluminium. Cela limite considérablement l'adoption à grande échelle du PEEK, en particulier dans le secteur de la robotique, sensible aux coûts.

3. Matériaux en fibre de carbone : le « chouchou » de l’aérospatiale

Les matériaux en fibre de carbone ont véritablement brillé dans le secteur aérospatial grâce à leur haute résistance et leur faible densité. Les composites en fibre de carbone sont non seulement légers, mais possèdent également une résistance et une rigidité exceptionnelles, leur permettant de résister à d'immenses forces de compression et de traction. Cependant, le processus de fabrication complexe et les coûts élevés associés aux matériaux en fibre de carbone ont limité leur application généralisée dans le domaine de la robotique.

4. Alliages de magnésium : l’essor de l’option au meilleur rapport qualité-prix

Étoile montante parmi les matériaux légers, les alliages de magnésium occupent une place de plus en plus importante. En termes de prix, le magnésium présente un net avantage en termes de coût par rapport à l'aluminium ; alors que le rapport prix magnésium/aluminium oscille généralement entre 1,1 et 1,3, il s'élevait à 0,877 au 17 janvier 2025, ce qui se situe en dessous de la fourchette standard et indique une rentabilité exceptionnelle.

Les alliages de magnésium excellent également en termes de performances. Avec une densité d'environ 1,8 g/cm³, ils pèsent un tiers de moins que les alliages d'aluminium de même volume ; plus précisément, dans les applications de « carrosserie en blanc » de véhicules de tourisme, les alliages de magnésium offrent une réduction de poids de 33,4 % par rapport à l'aluminium. De plus, les alliages de magnésium surpassent l’aluminium en termes d’amortissement des vibrations et de dissipation thermique. Le magnésium est le matériau structurel doté des meilleures propriétés d'amortissement, contrôlant efficacement le bruit et améliorant la stabilité structurelle, un fait reflété dans le taux d'adoption en constante augmentation des volants en magnésium au cours de la dernière décennie. Concernant la dissipation thermique, bien que la conductivité thermique de l'alliage de magnésium AZ91D (54 W/m·K) soit inférieure à celle de l'alliage d'aluminium A380 (100 W/m·K), cette caractéristique crée en réalité un différentiel de température plus important entre la base et la pointe des ailettes du dissipateur thermique. Cela accélère le flux d'air par convection à l'intérieur du dissipateur thermique, améliorant ainsi l'efficacité globale de la dissipation thermique.

Avantages uniques des alliages de magnésium dans les composants robotiques

• Construction légère, performances agiles
  L'agilité est cruciale pour les robots. La faible densité des alliages de magnésium réduit considérablement le poids des composants robotiques, réduisant ainsi les besoins en couple et en puissance des systèmes d'entraînement. Prenons l'exemple du robot humanoïde de Tesla : l'Optimus Gen 2 de deuxième génération a vu son poids total passer de 73 kg à 63 kg par rapport à la première génération. Cela a entraîné une augmentation de 30 % de la vitesse et une agilité considérablement améliorée dans des parties telles que les doigts.
• Efficacité énergétique et durée d'exécution prolongée
  Compte tenu des limites actuelles de la densité énergétique des batteries, la durée d’exécution opérationnelle constitue depuis longtemps un goulot d’étranglement pour le développement des robots. Les alliages de magnésium réduisent efficacement les forces d'inertie pendant le mouvement du robot et allègent la charge sur les systèmes d'entraînement ; cela réduit la consommation d’énergie du système et prolonge la durée d’exécution. Le 20 décembre 2024, Baowu Magnesium et Estun ont lancé conjointement le « ER4-550-MI », un nouveau robot en alliage de magnésium. En remplaçant l'alliage d'aluminium par un alliage de magnésium plus léger, le poids des composants comparables a été réduit d'environ 33 % et le poids total de la machine de 11 %. La vitesse de cycle a augmenté de 5 % et la réponse des composants est devenue plus agile et efficace. De plus, la perte totale d'énergie a été réduite de 10 %, permettant au robot de fonctionner plus longtemps et d'effectuer plus d'actions avec la même quantité d'énergie, évitant ainsi les inconvénients d'une charge fréquente.
• Robustesse et durée de vie prolongée
  D'un point de vue mécanique, la conception légère réduit la masse des composants, minimisant ainsi la friction et les forces d'inertie. Cela réduit la friction et l’usure entre les pièces, prolongeant ainsi la durée de vie des robots humanoïdes. De plus, l'allègement réduit les contraintes sur les systèmes d'entraînement et les composants structurels, réduisant ainsi le risque de dysfonctionnements et les coûts de maintenance. Les alliages de magnésium excellent à cet égard, fournissant une base fiable pour le fonctionnement stable et à long terme des robots.