Soutenance de thèse de Joël Keumo Tematio

27 octobre 2022

Joël Keumo Tematio soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 27 octobre 22.

Simulation numérique du procédé de fabrication additive DED : résolution thermomécanique incrémentale complète et modèles réduits de type "inherent strain"

Joël Keumo Tematio a réalisé sa thèse sous la supervision de Michel Bellet et Yancheng Zhang dans l'équipe de recherche 2MS. Il soutient sa thèse de doctorant en spécialité "Mécanique Numérique et Matériaux" le 27 octobre 2022 devant le jury suivant :

– Anne-Marie Habraken, Université de Liège, Belgique, rapporteur

– Pierre Joyot, ESTIA, rapporteur

– Anthony Gravouil, INSA Lyon, examinateur

– Daniel Weisz-Patrault, Ecole Polytechnique, examinateur

Résumé :

Une simulation thermomécanique par éléments finis est développée pour le procédé de fabrication additive DED (directed energy deposition). La simulation est conduite à l’échelle de la pièce, en modélisant le dépôt progressif de matière et la source d’énergie. Une expression générale du module tangent consistent est dérivée et implémentée dans la résolution par éléments finis, dans le cas d’un comportement élasto-viscoplastique avec des écrouissages de type isotrope et cinématique non linéaire. Pour calculer incrémentalement les champs de déplacement, de déformation et de contrainte, une formulation théorique du problème cinématique de positionnement est proposée pour minimiser la distorsion de la fraction non construite en considérant les informations de déplacement et de déformation actuelles. L’analyse de convergence de la simulation développée est effectuée à la fois d’un point de vue temporel et spatial. La validation est effectuée par comparaison avec des résultats expérimentaux de la littérature pour les cas d’un mur rectiligne et d’une aube de turbine présentant une forte courbure. Pour réduire le temps de calcul, une méthode de type "inherent strain" est d’abord proposée, dans laquelle l’inherent strain est déterminée sur quelques cordons, de manière exacte, par une méthode inverse basée sur les résultats de simulation du calcul élasto-visco-plastique standard. Cependant, lorsqu’on applique cette inherent strain dans une simulation couche par couche de la pièce entière, les résultats sont significativement dégradés par rapport à la solution de référence donnée par le calcul standard. Ceci est confirmé, quel que soit le mode d’application de l’inherent strain : uniforme, ou distribution spatiale dans chaque couche. En particulier les écarts à la référence augmentent dans le cas courbe de l’aube de turbine. Pour résoudre ces problèmes, une nouvelle méthode dite "inherent strain rate" est proposée, consistant à linéariser le calcul de dépôt progressif. Pour ce faire, le scalaire vitesse de déformation plastique équivalente est considéré comme étant l’inherent strain rate. Au cours de la simulation du processus, le calcul basé sur la méthode inherent strain rate est combiné avec le calcul standard, conservé pour simuler les extrémités de chacun des cordons. Grâce à cette combinaison et à une mise à jour en ligne de l’inherent strain rate, des résultats parfaits sur les déformations et contraintes sont obtenus pour le mur et l’aube de turbine. Dans cette première version de recherche, la simulation est accélérée d’un facteur 5, ce qui rend la méthode inherent strain rate proposée très prometteuse pour la simulation des procédés de fabrication additive.

Mots-clés : Fabrication additive, simulation numérique, éléments finis, Inherent strain, Inherent strain rate

Soutenance de thèse de Corentin Perderiset

14 octobre 2022

Corentin Perderiset soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 14 octobre 22.

Étude des mécanismes d'adhésion dans un assemblage collé titane/composite avec prise en compte du vieillissement environnemental

Corentin Perderiset a réalisé sa thèse sous la supervision de Pierre Montmitonnet, Frédéric Georgi (équipe PSF) et Jean-Luc Bouvard (équipe MPI). Il soutient sa thèse de doctorat en spécialité "Mécanique Numérique et Matériaux" le 14 octobre 22 devant le jury suivant :

– Mme Valérie Nassiet, ENIT

– M. Eric Paroissien, Isae-Supaero

– M. Romain Creachcadec, ENSTA Bretagne

– M. Maelënn Aufray, INPT-ENSIACET

– M. Anthony Grunenwald, SAFRAN

– M. Pierre Montmitonnet, Mines Paris – PSL

– M. Jean-Luc Bouvard, Mines Paris – PSL

– M. Frédéric Georgi, Mines Paris – PSL

Résumé :

Les collages structuraux offrent aujourd'hui une alternative convaincante aux métaux bruts dans le but de la réduction de la masse des structures dans le domaine aéronautique. Aussi, des renforts en titane sont désormais collés à des matrices en composite. Cependant les matériaux métalliques n’ont pas de bonnes prédispositions au collage c’est pourquoi il est nécessaire d’effectuer une préparation de surface pour promouvoir l’adhésion.

L'objectif de cette thèse est de contribuer à la compréhension des mécanismes d'adhésion d'une liaison par collage d’une pièce en alliage titane assemblée sur une pièce en composite à matrice organique, faisant intervenir un traitement de surface et un primaire d'adhérence. Le point d’intérêt principal est notamment l’étude des interfaces titane/primaire et primaire/adhésif. Le comportement de celles-ci dans le temps est également étudié. Pour cela, elles ont été soumises à un vieillissement accéléré en chaleur humide (70°C, 80 % RH, jusqu’à 1000h).

Dans un premier temps un essai d’adhérence TAST décentré a été choisi pour permettre de solliciter l’assemblage au niveau de ces interfaces et permettre ainsi de dégager des paramètres clés du procédé de traitement de surface. Grâce aux exploitations des essais mécaniques conjointement à l’étude des faciès de rupture à plusieurs échelles, il a été possible de déterminer que plusieurs mécanismes d’adhésion interviennent dans cet assemblage. Les paramètres qui influencent le plus les propriétés d’adhérence de l’interface sont la microstructure initiale du TA6V et l’épaisseur de primaire déposée. Une épaisseur trop importante de primaire dégrade les propriétés d’adhérence après vieillissement en limitant l’ancrage mécanique de l’adhésif sur la surface de titane car elle réduit sa rugosité. L’absence de primaire réduit aussi les propriétés d’adhérence car l’adhésif mouille moins bien la surface que le primaire. Ce dernier permet aussi de retarder la dégradation de l’interface dans des conditions humides.

En ce qui concerne la microstructure initiale du TA6V, la présence de nodules α permet de créer une surface rugueuse qui sert à favoriser l’ancrage mécanique de l’adhésif. En revanche, ces zones sont souvent peu recouvertes de primaire et ce dernier possède une meilleure affinité avec l’adhésif, notamment après vieillissement. La présence de grains lamellaires, de plus faibles dimensions (lamelles α de l’ordre de 200 à 400 nm), offre une meilleure mouillabilité pour le primaire et ainsi permet à ces zones de mieux résister au vieillissement en environnement humide.

Mots-clés : Traitement de surfaces, adhésion, collage titane-composite, essai TAST, interfaces, vieillissement

RealIMotion, la nouvelle chaire industrielle ANR pour le CEMEF

19 octobre 2022

L'ANR a retenu ce nouveau projet de chaire industrielle dans son appel à projets 2022.

C'est une fantastique nouvelle. Le projet RealIMotion de Marc Bernacki, équipe MSR, a été sélectionné par l'ANR. Il fait partie des sept défis scientifiques retenus sur l'appel à projet Chaires ANR Industrielles 2022.

La chaire RealIMotion fait suite à la chaire Digimu et cherche à repousser à nouveau les limites de la métallurgie numérique.

Le contexte général dans lequel s'insère la chaire RealIMotion

L'un des objectifs de l'Union européenne en matière de changement climatique consiste à atteindre des émissions nettes de gaz à effet de serre nulles d'ici 2050. Une telle perspective met l'industrie des matériaux métalliques, qui contribue largement aux émissions de CO2 d'origine fossile, sous une pression forte et nécessite l'apparition de stratégies numériques puissantes pour concevoir, améliorer, calibrer, avec un très haut degré de confiance, de nouvelles technologies matériaux avec un très faible impact environnemental. D'un point de vue plus général, les propriétés en service et la durabilité des matériaux métalliques sont fortement liées à leurs microstructures, elles-mêmes héritées des traitements thermomécaniques. Par conséquent, la compréhension et la prévision des évolutions des microstructures sont aujourd'hui des sujets clés dans la compétitivité des entreprises industrielles, avec des avantages économiques et sociétaux directs dans tous les grands secteurs économiques.

La modélisation multi-échelles des matériaux, et plus précisément les simulations à l'échelle mésoscopique, constituent le cadre numérique le plus prometteur car il permet un compromis entre la polyvalence et la robustesse des modèles basés sur la physique, les temps de calcul et la précision. Dans ce contexte, une stratégie numérique pour décrire l'évolution de la microstructure des matériaux métalliques lors des traitements thermomécaniques a été développée durant la chaire industrielle ANR DIGIMU pilotée par Marc Bernacki entre 2016 et 2020 avec un consortium de 6 partenaires industriels. Ce projet a permis le développement du logiciel éponyme qui permet de faire des prévisions quantitatives des évolutions de la microstructure sur des volumes de la taille du mm3 et ce sur un ordinateur portable classique.

Les objectifs de la chaire RealIMotion

L'objectif de la chaire ANR industrielle RealIMotion est de repousser les limites de la métallurgie numérique et de développer un nouveau cadre numérique prometteur associé à une stratégie d'apprentissage machine basée sur la physique afin de viser des calculs massifs, prenant en compte des volumes de matériaux bien plus importants, en liaison avec des simulations macroscopiques et toujours avec des temps de calcul raisonnables. La modélisation de nouveaux mécanismes est aussi visée. Un tel bond dans les modèles permettra d'optimiser numériquement les chemins thermomécaniques, de construire des cartes de mise en forme ciblées et de proposer automatiquement de nouveaux modèles homogénéisés améliorés. Le projet RealIMotion met la science des données, des modèles numériques basés sur la physique et l'apprentissage machine au service de la métallurgie industrielle. L’ensemble de ces nouveaux développements seront mis au service de sujets industriels critiques proposés par les partenaires.

L'organisation de la chaire

Le consortium industriel français qui soutient les développements du matériau numérique en mise à forme à chaud s'est enrichi avec RealIMotion. Constellium et Aperam en sont de nouveaux partenaires. Framatome, Aubert&Duval, ArcelorMittal, le CEA et Safran ont apporté de nouvelles applications sur alliages de zirconium, alliages d'aluminium, aciers biphasés et superalliages à base nickel de nouvelle génération.

Les étudiants recrutés dans le cadre de la chaire RealIMotion bénéficieront d'un environnement parfait pour devenir des experts en métallurgie numérique, en jumeaux numériques et en IA et répondre ainsi aux besoins futurs de l'industrie métallurgique. Les retombées attendues seront par ailleurs créatrices d’emplois pour tous les partenaires impliqués. L’intégration logicielle des développements par Transvalor, au travers d’une mise à disposition de TPs académiques, comporte aussi un fort impact potentiel au niveau de l’enseignement et l’essaimage des méthodes développées au sein des formations et laboratoires spécialisés en métallurgie.

La Chaire RealIMotion en bref :

– démarrage le 1er octobre 2022 pour 4 ans

– lancement de 7 sujets de thèse et d'un projet postdoctoral

– personnes impliquées au CEMEF : Marc Bernacki, Nathalie Bozzolo, Baptiste Flipon, Gilbert Fiorucci, Alexis Nicolaÿ, Cyrille Collin

>> En savoir plus sur le site dédié

Soutenance de HDR de Christelle Combeaud

18 octobre 2022

Christelle Combeaud soutient son Habilitation à Diriger des Recherches le 18 octobre 22

Christelle Combeaud est enseignant-chercheur dans l'équipe MPI. Elle soutient son Habilitation à Diriger des Recherches le 18 octobre 22 à l'Université Côte d'Azur.

Elle présentera ses travaux sur l'"étirabilité des polymères au-dessus de la transition vitreuse et développements microstructuraux associés" devant le jury suivant :

– Valérie Gaucher, Prof., Université de Lille, UMET, rapporteur

– Christian Gauthier, Prof., Université de Strasbourg, ICS, rapporteur

– Nicolas Sbirruazzoli, Prof., Université de Nice ICN, rapporteur

– Jean-Marc Haudin, Prof., Mines Paris, CEMEF

– Didier Perrin, Prof., IMT Mines Alès, C2MA

Résumé :

Les travaux de thèse s’inscrivent dans la continuité de onze années de recherche et d’enseignement dans le domaine de la mécanique et physique des polymères, appliqué à des procédés d’étirage comme le soufflage de corps creux ou encore le thermoformage. On s’attache à décrire le comportement thermo-mécanique de matériaux polymères pris dans des états caoutchoutiques ainsi que leur aptitude à développer des microstructures organisées et pertinentes quant à l’application finale. La cristallisation induite par l’étirage va en particulier conditionner les propriétés finales, mécaniques thermiques et barrières des objets formés. Ces activités de recherche s’articulent en particulier autour de la formabilité des polymères biosourcés ou encore des polymères recyclés.

Soutenance de thèse de Lucas Ravix

2 septembre 2022

Lucas Ravix soutient sa thèse de doctorat en Mécanique Numérique et Matériaux le 2 septembre 22.

Modélisation multi-échelles du procédé de fabrication additive par arc-fil WAAM : du cycle CMT aux pièces de grandes dimensions.

Lucas Ravix a réalisé sa thèse dans l'équipe 2MS sous la supervision de Michel Bellet, Charles-André Gandin, Yancheng Zhang et Gildas Guillemot. Il soutient sa thèse de doctorat en spécialité "Mécanique Numérique et Matériaux" le 2 septembre 2022 devant le jury suivant :

– Mme Muriel CARIN, Laboratoire IRDL

– M. Remy DENDIEVEL, SIMAP/GPM2

– M. Frederic DESCHAUX-BEAUME, Université de Montpellier

– M. Christophe TOURNIER, ENS Paris-Saclay

– M. Michel BELLET, CEMEF – Mines Paris – PSL

– M. Charles-André GANDIN, CEMEF – Mines Paris – PSL

– M. Gildas GUILLEMOT, CEMEF – Mines Paris – PSL

– M. Yancheng ZHANG, CEMEF – Mines Paris – PSL

Résumé :

Le procédé de fabrication additive par arc-fil WAAM permet de construire des pièces de géométries complexes ou de rajouter des fonctionnalités sur des éléments déjà existants, en déposant la matière par cordons successifs à l'aide d'une torche de soudage. Le débit de matière important, le prix de la matière première accessible et son utilisation avec des robots anthropomorphes dans des espaces quasi-illimités en font un complément industriel pertinent par rapport aux procédés lit de poudre (LPBF) déjà industriellement viables. Cependant, son essor est encore limité, dû aux physiques et phénomènes nombreux qui le décrivent, ces derniers étant hautement dépendants des paramètres procédés. Plus précisément, les écoulements dans le bain de métal fondu à la suite du transfert de matière et chaleur ont un impact direct sur l'adhésion à la couche précédente et à sa solidification. Ceci qui conduit à des morphologies spécifiques et à une microstructure orientée dans le sens de la construction, toutes dépendantes de l'histoire thermo-mécanique de la pièce complète, du fait de l'accumulation de chaleur. Ces interactions couplées multi-échelles, inaccessibles à un modèle numérique unique, orientent alors le développement de deux modèles multi-physiques dans le cadre de ces travaux de recherche, qui reposent sur des travaux antérieurs en soudage et dans le LPBF. Le premier modèle, dit mésoscopique et à l'échelle du cordon, décrit le cycle complexe du procédé CMT dans une approche level set. Sans considérer l'électromagnétisme, un modèle de contact et d'asservissement du dévidage est développé pour reproduire la forme des dépôts. Le procédé, stabilisé par l'électrode en contact avec le bain, semble alors régi au premier ordre par la tension tension de surface, la forme du dépot précédent et sa température. Le second modèle, dit macroscopique, décrit les cycles thermo-mécaniques d'une pièce aux dimensions industrielles pour des temps de plusieurs heures. Sa rapidité, dans une approche extit{quiet element}, repose sur une discrétisation extrême du transfert de matière et chaleur à l'aide de segments de matière, adapté pour utiliser directement des CAO complexes de pièces. La résolution mécanique, associée à un modèle de débridage, permet d'observer les déformations résiduelles. Au final, les modèles méso et macro sont confrontés à de nombreuses ressources expérimentales et montrent une bonne cohérence dans les échelles qui leur sont propres. Le projet propose alors un socle à de futurs projets pour des couplages multi-échelles, où la modélisation numérique pourrait représenter le comportement de la matière, de la rugosité intercordons régie par les écoulements aux contraintes résiduelles dans une pièce de grandes dimensions.

Mots-clés : Fabrication additive, Eléments Finis, Procédé dépôt-fil WAAM, Cycle CMT, Résolution hydro-thermo-mécanique, Couplage Multi-échelles

Soutenance de thèse de Tiphaine Houdard

13 juillet 2022

Tiphaine Houdard soutient sa thèse de doctorat en "Mécanique Numérique et Matériaux" le 13 juillet 22.

Etude thermo-mécanique de la solidification de produits réfractaires électrofondus à base d'alumine, de zircone et de silice

Tipahaine Houdard a réalisé sa thèse dans les équipes 2MS et CFL. Elle soutient sa thèse de doctorat en "Mécanique Numérique et Matériaux", sous réserve de l'accord des rapporteurs, le 13 juillet 2022 devant le jury suivant :

– Dr. Pierre Benigni, Universités Aix-Marseille et Toulon, IN2MP, rapporteur

– Prof. Emmanuel De Bilbao, Polytech Orléans, CEMHTI, rapporteur

– Dr. Julien Zollinger, Université de Lorraine – Institut Jean Lamour, examinateur

– Mme Isabelle Cabodi, Saint Gobain Research, examinateur

– Dr. Franck Pigeonneau, Mines Paris, examinateur

– Dr. Charles-André Gandin, Mines Paris, examinateur

Résumé :

Les blocs de cuve des fours verriers sont principalement composés de Al2O3 – ZrO2 – SiO2, d'où leur abréviation courante de blocs AZS. Ils sont produits par électrofusion. Cette étude porte sur la solidification de ces blocs une fois coulés dans leur moule. Un objectif est de prévoir la formation des criques à chaud au cours du refroidissement. Un second objectif est de prédire la géométrie de la retassure dans la masselotte.

Tout d'abord, une étude du matériau AZS a été réalisée pour valider les données thermodynamiques prédites par la base de données TCOX10. Celle-ci anticipe la présence de mullite, qui n'est pas observée expérimentalement. Des traitements thermiques à haute température valident cependant les résultats thermodynamiques et témoignent ainsi d’une certaine cinétique de cristallisation. Pour la suite de l'étude, la mullite est suspendue pour extraire les données utiles pour les simulations, telles que le chemin de solidification, la composition, la densité et l'enthalpie des phases en présence (zircone, corindon, phase vitreuse ici assimilée au dernier liquide présent à basse température).

L'histoire thermique est mesurée sur des blocs industriels et est simulée avec le logiciel THERCAST®. Modéliser l'histoire thermique nécessite de tabuler les propriétés des différents domaines et d'ajuster les paramètres numériques.

Le comportement mécanique d'un bloc est ensuite modélisé pour prédire la formation de criques à chaud, défauts qui peuvent être présents sur les arêtes des blocs. Après des observations expérimentales, différents critères pouvant prédire la susceptibilité de leur formation sont comparés. La déformation cumulée sur un intervalle de température donné est retenue. Une analyse porte sur les variations des valeurs obtenues selon le domaine de température ou la consistance viscoplastique. Une fois optimisées, les simulations prédisent correctement la susceptibilité de fissuration à chaud sur les blocs industriels.

Pour prédire la retassure, des simulations thermomécaniques avec THERCAST® montrent que la composition, qui influence fortement la densité de la phase liquide, doit être connue localement. Cela nécessite donc de prédire la macroségrégation. Une cartographie expérimentale de la chimie du bloc est réalisée. Les tabulations des propriétés pour des oxydes à concentrations élevées a nécessité une adaptation de l'outil PATH de la librairie PhysalurgY®. En appliquant des solveurs de CIMLIB® depuis THERCAST® pour les résolutions thermique, hydraulique et solutale (pour les solutés Al2O3, SiO2 et Na2O présents dans les phases liquide, zircone et corindon), il est alors possible de modéliser, en supposant un domaine incompressible, la convection thermo-solutale au cours du refroidissement, la sédimentation des cristaux étant négligée. Les simulations prédisent la formation de canaux ségrégés partant des parois du bloc et remontant vers le centre du bloc ainsi qu'un enrichissement de la masselotte en phase vitreuse. La compressibilité pour modéliser l'impact sur la retassure dans la masselotte n'a cependant pas pu être implémentée.

Mots-clés : solidification, criques à chaud, macroségrégation, AZS, THERCAST, simulations numériques