Nanoparticules émises par l'usinage: mesurer, contrôler et caractériser pour prévenir

Les procédés de mise en forme par usinage émettent des particules métalliques nocives auxquelles les responsables de la santé et de la sécurité du travail et la communauté scientifique s'intéressent en raison des risques qu'elles représentent pour la santé des personnes et pour l'environnement.

Alors qu'il est chef d'usinage à l'Industrial Research & Development Institute, en Ontario, à la fin des années 1990, l'expert en fabrication mécanique Victor Songmene commence à s'inquiéter des poussières noires et collantes que dégagent les machines-outils. La communauté scientifique s'interroge, en parallèle, sur la santé des travailleurs qui y sont exposés et sur les effets sur l'environnement. « C'est cela qui est venu me chercher », affirme ce professeur titulaire à l'École de technologie supérieure.

Comprendre les nanoparticules d'abord

Nanoparticule (NP) désigne essentiellement les particules dont au moins un des dimensions a une taille inférieure à environ 100 nanomètres. Un nanomètre a une taille équivalant à un milliardième de mètre.

En raison de leur très petite taille, les nanoparticules (NPs) sont plus toxiques que les particules plus grosses de même nature. Elles peuvent entrer dans le corps humain par le nez, la bouche et la peau, puis se disperser pour rejoindre les alvéoles pulmonaires, le système sanguin, le foie et le cerveau, traverser la paroi intestinale et atteindre le placenta. Avant même de pouvoir contrôler la dispersion des nanoparticules par des systèmes de captation adaptés et efficaces, il faut savoir comment celles-ci se comportent, de quelles sources elles proviennent et quels facteurs les gouvernent.

Les résultats d'une étude récente, dirigée par Victor Songmene et financée par l'IRSST, constituent une avancée en la matière. « La géométrie, le revêtement et la vitesse de coupe de l'outil utilisé de même que la nature des matériaux ouvrés influencent considérablement l'émission et le comportement des nanoparticules, indique-t-il au terme de sa recherche. La maîtrise de ces paramètres aidera à mieux contrôler et réduire à la source l'émission de nanoparticules en concevant des moyens de protection et de ventilation mieux adaptés. »

Fraisage
Reproduction des zones de production de
poussières dans le cas du fraisage

Le groupe de chercheurs a notamment pu constituer une procédure d'échantillonnage, de collecte et de mesure des particules. Il a aussi pu déterminer les conditions qui entourent la production des nanoparticules au cours du frottement et de l'usinage de pièces en alliage d'aluminium, de même que les concentrations et les distributions en diamètre aérodynamique de ces particules. Il a ainsi pu élaborer des stratégies de réduction à la source des émissions de NPs pendant ces activités et d'autres, basées sur le choix des conditions de l'exécution de ces tâches. Les résultats indiquent que l'usinage d'alliages courants, qui ne sont pas considérés comme des nanomatériaux, émet davantage de nanoparticules que de particules de taille micrométrique et que la taille de la majorité de ces NPs est inférieure à 20 nanomètres. Finalement, le groupe a pu classer les activités d'usinage courantes (fraisage, tournage et perçage) et de frottement à sec selon la quantité de NPs qu'elles émettent.

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Image obtenue par microscopie à force atomique des
particules générées lors de l'usinage, en fonction de
la vitesse de coupe. Dans ce cas-ci, 150 m/min.

Cette étude a démontré la nécessité de connaître la forme des particules et leur trajectoire après leur émission pour qu'il soit possible d'améliorer la captation et la précision de leur mesure. Elle a également mis en évidence la présence de particules ultrafines au cours des activités de mise en forme par usinage des matériaux ordinaires ne contenant pas de NPs. L'émission des particules dépend des procédés, des matériaux coupants et des matériaux coupés, d'où la possibilité de la contrôler.

La prochaine étape consistera à étudier des alliages composites, soit des aciers et des matériaux qui dégagent beaucoup de poussières, comme les granits et les électrodes en graphite.

Le professeur Songmene espère que ces conclusions sensibiliseront les industriels et les ingénieurs à la nécessité d'améliorer les façons de faire, en modifiant les machines, les outils ou les procédés, pour assurer une meilleure protection de la santé des travailleurs. Depuis la fin de cette recherche, au moins deux entreprises l'ont d'ailleurs contacté pour qu'il étudie les émissions de particules que leurs procédés génèrent. C'est ainsi qu'il a pu démarrer un nouveau projet sur le polissage de granit. Par ailleurs, ses travaux pourront soutenir des études toxicologiques ultérieures visant la mise en place d'une norme sur les émissions de NP pour améliorer la qualité de l'air dans les ateliers d'usinage.

Pour en savoir plus

SONGMENE, Victor, Riad KHETTABI, Martin VIENS, Jules KOUAM, Stéphane HALLÉ, François MORENCY, Jacques MASOUNAVE, Abdelhakim DJEBARA. Mesure, contrôle et caractérisation des nanoparticules – Procédure appliquée à l'usinage et au frottement mécanique, Rapport R-814, 93 pages.