De la recherche fondamentale au partenariat industriel

2PC

Polymères et Polymères Chargés de Micro et Nano-Particules (2PC)

Présentation

Thématique(s) et objectifs : Les principaux axes du thème concernent le développement de micro-composants par injection, compression et embossing, de polymères et polymères chargés en micro et nano particules métalliques et céramiques, ou encore nanotubes de carbone. Les objectifs concernent le développement de micro-composants à propriétés fonctionnelles spécifiques, en combinant polymères et micro-nano poudres, particules ou nanotubes, afin de réaliser des composants et microsystèmes fonctionnels, et ce en utilisant des technologies et méthodologies issues de la combinaison entre micromécanique (moulage, injection, compression, micro-usinage) et de la microélectronique (lithographie).

Spécificités et points forts : Les compétences spécifiques des membres du thème résident dans la maîtrise instrumentale des procédés de microfabrication, dans le développement de nouveaux matériaux fonctionnels, métalliques ou céramiques, utilisés en micromécanique, en horlogerie, dans le biomédical, dans les cellules photovoltaïques ou encore destinés à l’encapsulation de matériaux nucléaires. Par ailleurs, les membres du thème maîtrisent les technologies associées à la réalisation des outillages, comme le micro-usinage à grande vitesse, ou encore le microformage par procédés incrémentaux. Enfin, ils possèdent une culture avérée en modélisations physiques et simulations numériques des procédés de microfabrication. Les spécificités du thème sont reconnues tant au niveau national qu’international, dont il résulte des coopérations importantes avec les entreprises, et une bonne implication dans les réseaux et projets nationaux et européens. Les savoirs faire et les spécificités du thème ont permis son implication dans trois projets FUI (Formage Avancé, NewPIM et ConProMi) au cours des quatre dernières années.

Chercheurs permanents : Thierry BARRIERE, Jean-Claude GELIN, Marc DAHAN, Gérard MICHEL

Mots clés

Modélisation physique, Injection et « Embossing », Identification, Simulation, numérique, Optimisation, Contrôle, Micro et nano-poudres métalliques et céramiques, Nanotubes de carbone, Diffusion thermochimique des polymères, Densification par diffusion des métaux et céramiques, micro-usinage d’empreintes et cavités.

Bilan de l'activité scientifique 06 – 09

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    Résultats marquants du quadriennal : Durant la période 2006-2009, les travaux développés ont, d’une part, concerné les caractérisations thermo-physiques des polymères et polymères chargés en micro et nanoparticules, ainsi que les caractérisations thermo-rhéologiques associées aux opérations de mélangeage, d’injection ou encore d’embossing à plat ou déroulé. D’autre part, les modélisations physiques et simulations numériques des écoulements et déformations associées aux procédés d’injection et compression ont été poursuivies et développés. Dans le même temps, des moyens et outillages importants ont été développés pour réaliser des composants en polymères et polymères chargés, de plus en plus petits, tout en respectant la qualité des états de surface, les précisions dimensionnelles, ainsi que les requêtes fonctionnelles. Par ailleurs, le thème a acquis des compétences importantes dans le domaine de l’élaboration des mélanges polymères-poudres métalliques ou céramiques, tant pour élaborer des composants métalliques ou céramiques par MIP, que pour développer des composites fonctionnels à matrices thermoplastiques renforcées par des nanotubes de carbone.
    De nouvelles voies ont été ouvertes, associées à la réalisation de composants polymères renforcés par nano-particules et NTC, ou encore associées à la réalisation d’outillages souples par embossing de polymères chargés en poudres, qui après déliantage et densification par diffusion solide, sont utilisés comme empreintes de réplication. Parallèlement aux développements instrumentaux et expérimentaux, les travaux de caractérisations du comportement des polymères ont été poursuivis, pour prendre tant les aspects thermoplastiques, que les aspects associés aux renforts, en utilisant notamment des modèles de rigidité ou viscosité équivalentes. Des modélisations multiphysiques et multi-échelles et simulations numériques en 3D du malaxage, mélangeage et de l’injection des polymères et polymères chargés, ont notamment permis d’amélioration les processus de préparation des composites polymères micro-poudres ou encore polymères nanotubes de carbone.

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Projet scientifique

    Enjeux sociétaux : Les enjeux sociétaux imposent la réduction de la consommation de matériaux ainsi que la réduction des rejets carbone. De ce point de vue les technologies MIM ou PIM sont très adaptées, car elles permettent de ne consommer que les matériaux réellement utiles pour la réalisation des composants. De la même façon, les technologies de hot embossing et mieux encore de roll embossing permettent la réalisation en très grandes quantités de composants fonctionnels sur supports souples, en limitant la consommation des matériaux. Le projet NewPIM et ConProMi prennent en compte ces aspects, et les bilans énergétiques et carbone des procédés seront réalisés.

    Enjeux scientifiques : Les enjeux scientifiques du thème « Polymères et Polymères chargés de Micro et Nano-particules » consistent à développer des investigations focalisées vers les poudres métalliques ou céramiques nanométriques, et les nanotubes de carbone, en vue de réaliser des microcomposants à fonctionnalités élaborées et développer les microcomposants fonctionnels à base de polymères et matériaux à propriétés conductrices électriques ou thermiques, ou encore magnétiques (circuits 3D MID, micro-échangeurs thermiques, microsystèmes fluidiques pour la séparation et le dosage, microsystèmes sur supports souples). Il est donc nécessaire de progresser au niveau des méthodes de transitions d’échelles pour développer des modélisations et réaliser des simulations multiphysiques du nano au macro, intégrant des modèles physiques aux échelles nano, micro et macro. Il faut aussi développer des investigations concernant l’utilisation de polymères pour l’encapsulation des matériaux très réactifs utilisés par exemple dans le nucléaire, et analyser les effets de radiolyse en résultant, ainsi que la durabilité de l’encapsulation au cours du temps.

    Objectifs de recherche envisagés : 2 objectifs ont été identifiés pour conduire des travaux exploratoires et plus finalisés associés à la thématique concernant la réalisation de microcomposants, micro et nanostructures à partir de polymères et polymères chargés en micro et nanoparticules. Ces axes concernent également les aspects scientifiques et technologiques connexe associées à la réalisation des moules et empreintes. Les objectifs majeurs consistent à accroitre les capacités fonctionnelles des micro-nanostructures réalisées, en développant une chaine complète d’ingénierie, allant du design fonctionnel et géométrique à la qualification en service des micro-composants ou systèmes.

  • Objectif 1 : Amplifier les capacités de micro et nano-réplication en développant des méthodologies et technologies appropriées, tout au long de la chaine de micro-réplication. Ainsi les technologies de réalisation et préparation des micro-empreintes.
    • Atouts, opportunité, et positionnement : Notre thème est le seul en France à maîtriser la chaine complète en moulage par injection de poudres métalliques ou céramiques, allant de la conception des micro-moules jusqu’ à la qualification en service des composants réalisés. Au niveau international, seules quelques équipes aux USA, en Corée et au Japon possèdent des compétences proches, sans toutefois couvrir le même spectre. Dans le domaine du hot embossing des polymères, une équipe du MIT (Prof. L. Anand) réalise des développements proches, et a notamment proposé un cadre de modélisation élaboré. Des échanges seront développés avec cette équipe, afin de proposer des formalismes et méthodologies de modélisation, couvrant les échelles du nano ou macro. Dans le domaine de la texturation sur supports souples, le thème se situe également à un bon niveau international. Des collaborations seront également développées avec une équipe de l’Université de l’Illinois qui développe des travaux pour les échelles nano et moléculaires concernant la micro-texturation pour les systèmes électroniques et photoniques sur supports souples. Enfin, nos collaborations avec le Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne seront amplifiées, notamment dans le domaine du frittage des nano-poudres métalliques et céramiques.

  • Objectif 2 : Développer les modélisations physiques et les simulations numériques aux échelles multiples, tant dans le domaine de la modélisation et simulation des procédés de fabrication et de micro-fabrication, en particulier en moulage par injection des polymères et polymères chargés, qu’en identification, modélisation et simulation des procédés à grandes vitesses.


    • Atouts, opportunité, et positionnement : Le thème possède des compétences avérées obtenues au cours des 10 dernières années. Les travaux réalisés dans le cadre de plusieurs thèses de doctorat et d’une collaboration suivie depuis une dizaine d’années avec Southwest Jiaotong University, ainsi que les collaborations avec des laboratoires français et européens, ont permis de développer des méthodologies de caractérisation, simulation et optimisation. Les deux projets FUI NewPIM et ConProMi viennent par ailleurs amplifier les travaux et le positionnement du thème. On envisage donc le développement d’une plateforme de modélisation physique et simulation aux multiples échelles des procédés d’injection, compression ou embossing des polymères et polymères chargés en nano-particules. Dans ce cadre le thème projette de s’investir pleinement dans la simulation des écoulements de polymères chargés en développant de nouvelles méthodologies de résolution, du niveau nano au niveau macro en utilisant les techniques de la dynamique particulaire (DPD) appliquées au Moulage par Injection de Poudres, puis adaptée pour le cas des polymères chargés en nanotubes de carbone. Un autre objectif est la modélisation et simulation des propriétés physiques, électriques ou encore magnétiques des micro-composants fonctionnels qu’il est prévu de développer, en s’appuyant sur les méthodologies de simulations multiphysiques. Le thème, qui possède déjà un positionnement avéré dans le domaine souhaite amplifier celui-ci, en y ajoutant les aspects fonctionnalisation des composants.

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Contact

Jean-Claude GELIN
03.81.66.60.35
jean-claude.gelin@ens2m.fr

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