De la recherche fondamentale au partenariat industriel

IMPS

Interactions Matériau-Procédé-Structure (IMPS)

Présentation

Thématique(s) et objectifs : La compétence spécifique des membres du thème est la modélisation des procédés de mise en forme de matériaux métalliques par réplication ou ablation avec déformation plastique. Ce sujet est traité suivant plusieurs axes : (i) modélisation analytique et numérique des procédés (ii) développement de pilotes expérimentaux pour étudier les procédés et/ou le comportement mécanique des matériaux en situation (iii) leur miniaturisation et l’étude des effets d’échelle.

Spécificités et points forts : Au niveau national, il y a plusieurs équipes qui travaillent sur les procédés classiques. Celles qui sont les plus proches de nos préoccupations sont : le CEMEF - Sophia Antipolis (Elisabeth MASSONI), le LPMM - Metz (Michel POTTIER-FERRY, Daniel DUDZINSKI), le LaBoMap - Cluny (Gérard POULACHON), le LTDS – Saint-Etienne (Joël RECH), … En comparaison, il a été développé au sein du thème une approche « procédé » en combinant tout à la fois développements expérimentaux, théoriques et numériques. C’est le seul cas en France à s’orienter vers les procédés de microfabrication mécanique. On peut également noter la jeunesse des membres du thème (moyenne d’âge : 38 ans).

Chercheurs permanents : Nathalie BOUDEAU, Jérôme CHAMBERT, Michaël FONTAINE, Pierrick MALECOT, Philippe PICART, Fabrice RICHARD, Sébastien THIBAUD

  • Simulations multi-échelles, multi-physiques, multi-procédés, multi-matériaux
  • Optimisation, identification et contrôle, à partir de réponses hybrides (expérimentales et/ou de calcul)

Mots clés

Caractérisation, Modélisation, Identification, Simulation, Optimisation, Expérimentation, Fabrication par déformation plastique, Micro-fabrication mécanique, Effets d’échelles.

Bilan de l'activité scientifique 06 – 09

INP 1
    Résultats marquants du quadriennal : Les faits les plus marquants de ce quadriennal sont les nombreux développements expérimentaux réalisés par les membres du thème (i) Mise en place d’un dispositif de caractérisation des propriétés mécaniques de matériaux sous forme de tubes pour la mise en forme par hydroformage (ii) Développement d’un pilote expérimental de formage incrémental avec outil instrumenté permettant la mesure d’épaisseur en cours de procédé (iii) Conception d’outils de microformage instrumentés afin d’analyser les effets d’échelle (iv) Instrumentation de deux microfraiseuses pour l’acquisition des efforts de coupe et des vibrations d’outil en cours d’usinage. Ces travaux expérimentaux ont été complétés par des modélisations numériques (modèles éléments finis ou analytiques) qui se distinguent des autres travaux de la littérature (i) Une modélisation analytique du test de gonflement de tube permet de quantifier les états de contraintes et de déformations sur l’ensemble du tube à l’aide d’une procédure expérimentale simple fondée sur deux mesures « on line » uniquement : la pression dans le tube et la hauteur de gonflement du tube (ii) Formage incrémental : Ce procédé très récent a fait l’objet d’une thèse quant au développement expérimental (pilote expérimental instrumenté) et numérique (modélisation par éléments finis du procédé). La thèse de Steeve Dejardin est la première soutenue dans le domaine au niveau national (iii) La modélisation des effets d’échelle en microformage est associée au développement du procédé de forgeage à la dimension submillimétrique. Les effets de miniaturisation sur le comportement mécanique et tribologique ont été investigués tant du point de vue expérimental (pilote expérimental instrumenté) que du point de vue de la modélisation (loi de comportement et simulations numériques) (iii) La modélisation des effets d’échelle en microformage (iv) Fraisage / Microfraisage : Un modèle analytique de prédiction des efforts de coupe en fraisage de surfaces complexes est en constant développement et il permet à présent de reconstruire la topologie de la surface usinée et de prendre en compte des trajectoires issues de FAO - Un modèle éléments finis du fraisage 3D (rainurage) a été développé et il permet d’analyser le procédé de façon globale (efforts, contraintes, températures) - Une procédure d’identification a été mise en place permettant de définir des paramètres définissant le matériau et le frottement à partir de données expérimentales et numériques. Ces travaux ont été développés dans le cadre de projets à dimension européenne ou nationale, avec des partenaires académiques et industriels.
INP 2

Projet scientifique

    Enjeux sociétaux : Avec les problèmes environnementaux et le coût des matières premières, il est nécessaire d’optimiser les procédés de fabrication mécanique. Les industriels désirent également réduire les temps de développements et les coûts pour être plus compétitifs. De plus, la miniaturisation de nombreux objets de la vie courante nécessite de maîtriser la mise en forme de composants par procédés mécaniques beaucoup plus respectueux de l’environnement et plus multi-matériaux que les procédés chimiques. Dans le cas de microcomposants, il est souvent utile de choisir des matériaux fonctionnels. Le prototypage virtuel est un moyen de répondre à toutes ces exigences. Encore faut-il posséder de bonnes connaissances sur les interactions matériau-procédé-structure afin d’assurer la fabrication de composants satisfaisant aussi bien des spécifications géométriques que fonctionnelles.

    Enjeux scientifiques : Les logiciels commerciaux permettant de simuler certains procédés ne donnent aucune indication sur la fiabilité de leurs résultats. Il sera intéressant d’étudier la variabilité du procédé et du matériau afin de quantifier les écarts entre le modèle virtuel et le composant réel. Chaque logiciel est spécialisé et il est difficile aujourd’hui d’intégrer l’influence des procédés sur la structure finale et son comportement en utilisation normale. Enfin, il est difficile de réaliser des simulations fiables dès que l’une des dimensions du composant descend en dessous du millimètre car le comportement du matériau et les effets d’interface sont généralement très mal pris en compte.

    Objectifs de recherche envisagées : nous avons identifié 2 objectifs qu'il serait intéressant d’atteindre au cours du prochain quadriennal.

  • Objectif 1 : Mise en forme de matériaux métalliques par déformation plastique. Il s’agit de rompre avec la tendance actuelle qui consiste à découpler les problématiques matériaux, procédés et structures. Dans l’état actuel des connaissances, il semble difficile de trouver une loi de comportement universelle. Nous proposons de mettre au point une analyse systématique pour construire des modèles matériaux dédiés aux procédés et adaptés aux attentes des résultats de simulations numériques. Une analyse des principaux problèmes rencontrés par les industriels permettra de construire des simulateurs expérimentaux discriminatoires par rapport aux phénomènes spécifiques à étudier (expansion, rétreint, passage de rayon entre autres). Leur instrumentation permettra d’appréhender la répartition des efforts et les cinématiques mises en jeu. L’accès aux champs de déformation pourra nécessiter en particulier la mise en œuvre de mesure de champs 3D. Cela permettra de proposer des modèles de comportement pensés en termes de procédés avec prise en compte des trajets de déformation ou de taux de triaxialité des contraintes représentatifs du procédé. De plus, ces modèles seront spécialisés quant à leur utilisation future. Il s’agit de formaliser l’approche qui avait été proposée pour les aciers TRiP afin qu’elle puisse être mise en œuvre quel que soit le procédé étudié [S. Thibaud , N. Boudeau, J. Mater. Process. Technol. 2006]. La validité d’une simulation nécessite de maîtriser l’ensemble des variabilités du process et l’adaptation des techniques fiabilistes aux procédés devra être mise en œuvre. Les aspects interface matière–outil seront également des pistes d’investigation (contact, usure). La complémentarité des thèmes « Interactions Matériau-Procédé-Structure » et « Micro Analyse des Surfaces » permettra de relever ce défi. Afin de s’assurer que les approches proposées sont bien systématiques et donc applicables à tout procédé, elles seront évaluées sur deux procédés très différents à savoir l’hydroformage de tube et l’usinage à l’outil coupant. Les travaux envisagés correspondent réellement à une problématique industrielle (améliorer la qualité dans les entreprises françaises et augmenter leur compétitivité), à des enjeux sociétaux (conserver des emplois en France, optimiser les procédés pour économiser de l’énergie, des matériaux et donc minimiser l’impact environnemental) et à une avancée scientifique dans la maîtrise des procédés et de leur simulation.
    • Atouts, opportunité, et positionnement : Notre thème est le seul en France à travailler conjointement les procédés par déformation plastique et par ablation, en particulier, pour la validation d’un approche de modélisation dédiée. De plus, il se distingue par sa capacité à développer aussi bien des modèles que des pilotes expérimentaux. il n’est pas forcément identifié en modélisation des matériaux mais l’intégration de deux personnes issues de l’ancienne équipe « Propriétés Mécaniques des Matériaux » nous permettra de nous positionner, en particulier sur les orientations annoncées. Des collaborations avec S. Bouvier (Compiègne), P. Vacher (Annecy), A.M. Habbraken (Liège), F.R. Hall (Wolverhampton) et T. Kuwabara (Japon) seront à construire sur du long terme. De plus, de nombreux groupes de travail auxquels nous participons s’organisent comme la Commission Française de mise en forme des Produits Minces de l’AFM, MECAMAT&PRO de l’AIC, InterCut du PNB, le groupe Manufacturing 21 regroupant 16 laboratoires en usinage.

  • Objectif 2 : Procédés pour la miniaturisation des systèmes. Les procédés de microfabrication mécanique nécessitent une bonne connaissance du comportement plastique des matériaux en faible épaisseur et en petites dimensions. La miniaturisation d’une structure (l’ensemble des dimensions géométriques est diminué d’un même facteur) fait apparaître régulièrement une réponse différente de celle attendue. La notion fondamentale d’effets d’échelle (synthétisé en 3 catégories : homogénéité, forme et microstructure) doit être obligatoirement introduite. Au niveau submillimétrique, la compréhension des phénomènes aux interfaces outils-matière est essentielle, les effets de surface devenant prépondérants par rapport aux effets de volume. En particulier, les efforts de frottement peuvent devenir très élevés et il est nécessaire de les contrer afin d’obtenir un composant saint. Il est également fondamental à ces niveaux d’échelles de maîtriser, ou tout du moins d’être capable de quantifier, les incertitudes du procédé. Pour débuter, on se concentrera sur le micro-formage, le micro-hydroformage de micro-tubes et le micro- fraisage. Dans un premier temps, il est nécessaire de développer des tests de caractérisation dédiés aux procédés étudiés c’est-à-dire caractéristiques des champs de contraintes rencontrés ainsi que des trajets de déformation suivis au cours du procédé. On dispose actuellement d’un test de gonflement de flan et très prochainement d’un test de gonflement de micro tubes. Ces tests permettent de caractériser le matériau sous des sollicitations proches de celles rencontrées au cours des procédés. Ils permettront d’étudier l’évolution du comportement en fonction des caractéristiques associées à la miniaturisation (dimensions des échantillons, microstructures dans l’épaisseur). Ces tests doivent être instrumentés et des méthodes sans contact sont à privilégier pour ne pas induire d’efforts parasites. Il sera également nécessaire de mettre au point des méthodes optiques de corrélation d’images 3D afin de pouvoir mesurer les champs de déformation sur des surfaces non planes, par exemple sur des tubes. L’identification des gradients de plasticité (théorie du second gradient) peut ensuite être réalisée à partir de différentiations numériques des champs identifiés afin d’introduire des modèles plus performants et permettant d’introduire les effets locaux (utilisation de la théorie du second gradient, milieux micropolaires, Théorie de Cosserat). En ce qui concerne l’usinage, les moyens disponibles localement (machines de micro-fraisage), sont instrumentés en mesure d’efforts de coupe et de vibrations d’outil. Ces mesures permettent d’analyser la stabilité de la coupe ainsi que l’énergie consommée et sont des indicateurs de performances de l’opération en cours. Afin d’atteindre des plages de vitesses de coupe plus élevées (> 100 m/min) et ceci avec des outils de petits diamètres (< 0,5 mm), il est nécessaire de mettre en place un dispositif d’acquisition haute fréquence (> 100 kHz) ce qui demande de reconcevoir les moyens de mesure. Une mesure de température lors de la coupe peut être envisagée également via une caméra thermique rapide. Enfin, l’idée à plus long terme est de développer un banc de test dédié permettant de remplir ces différents objectifs. Ces dispositifs expérimentaux permettront de lancer des campagnes d’essais destinées à optimiser les outils et leurs conditions d’utilisation pour le micro-fraisage et le micro-perçage pour des formes variées et une grande plage de matériaux. En complément de cela, l’effort de compréhension et de prédiction des phénomènes observables à différentes échelles va se poursuivre via le développement des modèles déjà disponibles au niveau du thème (prédiction des efforts, des températures et de l’état de surface résultant pour le fraisage 3 axes, trajectoires complexes comprises). Le premier pas va être franchi en direction du fraisage multiaxes puis l’ajout d’un modèle d’outil flexible permettra d’étudier la stabilité de coupe et de comparer ces informations aux mesures vibrométriques. Enfin, la prise en compte de lois de comportement et de frottement adaptées au domaine microscopique ouvrira la voie à la prédiction de grandeurs caractéristiques thermomécaniques en micro fraisage (aucun travail disponible à ce jour sur ce sujet).


    • Atouts, opportunité, et positionnement : Notre thème est le seul en France à travailler en microfabrication mécanique. Nos atouts par rapport aux équipes internationales travaillant sur le sujet sont : (i) les approches matériaux et procédés d’une part et expérimentale et théorique d’autre part, déjà mises en œuvre dans le domaine macroscopique (ii) les compétences variées des personnels réunis (iii) les collaborations envisagées avec les thèmes « Micro Analyse des Surfaces » et « Propriétés Mécaniques des Matériaux en Couches Minces », et l’ICB ( laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne) de l’Université de Bourgogne (L. Imhoff).
INP 3

Contact

Nathalie BOUDEAU
03 81 66 60 34
nathalie.boudeau@ens2m.fr

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