Le Groupe « Mécanique Numérique et Procédés » est constitué de 6 PU (J.M. Bergheau, Ph. Bertrand, R . Fortunier, H. Hamdi, J. Rech, I. Smurov), 1 MCF-HDR (E. Feulvarch), 7 MCF (R. Chatelin (50%), C. Courbon, M. Doubenskaia, J.C. Roux (80%), F. Salvatore, A. Sova, F. Valiorgue), 1 PRAG (G. Chardon), 1 PREN (C. Pages), 8 ITA (C. Claudin, F. Dumont, M. Jacquier, F. Missemer, H. Pascal, E. Picot, P. Polly, H. Seux), environ 3 posts-docs et ATER (F. Cabanettes, H. Sallem, A. Tongne), et 15 doctorants.

Les travaux conduits par le groupe de recherche ont pour objectif général de développer la maitrise des procédés de fabrication et des conséquences qu’ils induisent par des approches expérimentales et numériques. Ce qui caractérise les différents problèmes abordés sont la présence systématique de couplages entre différents phénomènes physiques (thermique, matériaux, écoulements fluides, génération de contraintes et déformations…), la nécessité de travailler à différentes échelles (microstructure, procédé, pièce…) et de mettre en œuvre des méthodes numériques adaptées aux couplages et aux problèmes fortement non linéaires.

Les travaux en cours du groupe s’articulent autour de 3 projets (types de procédé) et 3 axes de recherche dont un axe transverse à tous les projets.

Projet 1 – Procédés de fabrication par enlèvement de matière

Projet 1/Axe 1 - Interactions outil-matière-environnement

Les travaux que nous poursuivons concernent les phénomènes thermomécaniques locaux liés à l’usinage avec :

• Le développement de la méthode hybride pour les applications de perçage (retour élastique de la matière), fraisage (coupe interrompue) et de superfinition (contact multi-grains) tout en intégrant l’usure des outils de coupe.
• Le développement d’un thermo-tribomètre environnemental (en atmosphère contrôlée) en conditions extrêmes proches des conditions d’usinage avec l’objectif de définir de nouveaux modèles de frottement et de résistance thermique de contact.

Et l’usure des outils avec :

• L’étude expérimentale de l’usinabilité de nouveaux matériaux et multimatériaux avec l’objectif de mieux comprendre l’influence de la microstructure sur les mécanismes d’usure (par exemple comprendre l’usure prématurée des outils dans le cas de l’usinage d’alliages de titane issus de fabrication additive)
• La modélisation des mécanismes d’usure des outils de coupe pour la prise en compte des phénomènes d’usure sur l’évolution de la géométrie des outils dans les simulations numériques. Projet 1/Axe 2 – Relations procédé-propriétés et intégrité des surfaces et des structures

Ces travaux sont conduits dans le cadre du labex Manutech-SISE (axe 2 : Knowledge Based Design). Ils visent globalement à mieux maîtriser l’intégrité des surfaces et des structures en fonction des paramètres opératoires des procédés. Concernant l’échelle de l’intégrité des surfaces, nos projets de recherche actuels s’intéressent :

• À la compréhension des mécanismes conduisant à la nanostructuration des surfaces dans les procédés d’enlèvement de matière et leur impact sur les propriétés mécaniques
• À la relation entre la microstructure et les contraintes résiduelles induites par les procédés de fabrication et la réactivité des surfaces (fonctionnalité physico-chimique) pour un traitement thermochimique ultérieur
• A la texturation de surfaces obtenue par des procédés de superfinition comme le pierrage ou la tribofinition, ou des procédés mécaniques comme le moletage.

Concernant l’échelle du composant mécanique, il s’agira de simuler les distorsions induites sur les structures par les procédés d’usinage avec pour objectif l’optimisation des séquences de fabrication.

Projet 2 – Procédés de fabrication additive

Projet2/Axe 1 - Interactions outil-matière-environnement

Le thème de recherche de cet axe concerne l’étude des mécanismes de consolidation des poudres sous l’action d’un faisceau à haute énergie (laser, faisceau d’électrons,…). Il s’agit ici d’appréhender les phénomènes thermiques qui conduisent à la consolidation des poudres. Le problème est rendu particulièrement complexe par le fait que les propriétés d’absorption du faisceau et les propriétés thermo-physiques dépendent fortement de l’état de la matière qui ne cesse d’évoluer au cours du process. Cet état de la matière n’est généralement associé qu’à la seule température dans les principaux modèles actuels. Un des challenges à venir est donc de coupler les aspects thermiques (monitoring de la température lors l’interaction lit de poudre/laser) avec des modèles décrivant les cinétiques de consolidation associées au frittage des poudres comme dans le procédé SLS (Selective Laser Sintering) ou à la solidification d’un liquide obtenu après fusion des poudres.

Projet 2/Axe 2 – Relations procédé-propriétés et intégrité des surfaces et des structures

Le premier thème de recherche de cet axe concerne l’étude des microstructures résultantes, des propriétés mécaniques associées, des contraintes et distorsions résiduelles induites. Dans l’étude de ces procédés, il ressort que le refroidissement de la poudre une fois consolidée se produit à des vitesses extrêmement rapides conduisant à des microstructures spécifiques et à des contraintes et déformations résiduelles. Les microstructures obtenues à l’état brut de fabrication ne sont pas toujours compatibles avec de bonnes propriétés mécaniques. Des traitements thermiques post fabrication peuvent alors être nécessaires pour aboutir à des propriétés plus favorables. Mais ces traitements s’accompagnent d’une relaxation des contraintes internes et donc de distorsions qu’il est important de maîtriser pour conserver la pièce dans des tolérances dimensionnelles. On entre là dans la thermo-métallomécanique des procédés pour laquelle un des objectifs poursuivis sera de mettre en oeuvre le savoir-faire acquis pour traiter les spécificités des procédés de fabrication additive voire les appréhender in situ lors de la fabrication 3D : nouveaux alliages, nouveaux modèles de comportement, nouvelles cinétiques de transformation de phase dans des conditions de refroidissement extrêmement rapide.

Le deuxième thème propose de s’intéresser aux états de surface résultants. Les procédés de fabrication additive conduisent à des états de surface de mauvaise qualité. S’il est possible, bien que non souhaitable, de recourir à un usinage final des surfaces accessibles de la pièce une fois fabriquée, il n’en est rien pour ce qui concerne les surfaces internes. Les verrous à lever concernent la compréhension des phénomènes régissant l’élaboration de surface (étude du lien entre la poudre initiale et l’état de surface résultant), sa structuration mais également le comportement à l’usinage des produits frittés. Le volet experimental pourra être conduit sur l’EquipEx MANUTECH USD, volet USD3 du projet EquipEx.

Projet 3 – Procédés d’assemblage

Projet3/Axe 1 - Interactions outil-matière-environnement

La simulation du soudage par friction malaxage (Friction Stir Welding) est un des sujets fort du groupe. Les travaux en cours ont pour objectif d’analyser et déterminer les limites de soudabilité sur des couples de matériaux homogènes et hétérogènes. Il s’agit notamment de trouver les paramètres ainsi que les outils qui permettent de réaliser les assemblages innovants (acier/alu, titane/titane…), pour lesquels la maturité technique n’est pas encore atteinte.

Projet 3/Axe 2 – Relations procédé-propriétés et intégrité des surfaces et des structures

L’objectif est ici de caractériser l’intégrité métallurgique et mécanique (statique et dynamique) des assemblages avec pour objectif de développer des modèles pour prédire l’apparition éventuelle de défauts (tunnel) dans une opération de soudage FSW.

Projet 1,2,3/Axe 3 – Méthodes numériques pour les couplages multiphysiques

Les thèmes de recherche associés à cet axe visent d’une part à proposer, formuler et développer de nouveaux modèles et méthodes numériques adaptés à la simulation des procédés, et d’autre part, à proposer des méthodologies de modélisation spécifiques mise en œuvre dans le cadre des 3 projets. Les travaux actuels concernent :

• La simulation monolithique des procédés de soudage ou de fabrication additive (voir projet 2). Il s’agit de mettre en place un modèle de simulation numérique dans lequel les écoulements dans le bain fondu (formulés dans une approche ALE) sont couplés aux déformations du solide (formulés dans une approche lagrangienne) pendant les phases de chauffage et de refroidissement.
• La simulation des phénomènes de diffusion-précipitation d’éléments chimiques en solution diluée ou non diluée. Nous poursuivons le développement d’un algorithme formulé en fractions totales en éléments afin de le rendre efficace en présence de nombreux éléments chimiques et de plusieurs précipités.
• Le développement de méthodes de réduction de modèles (PGD…) pour réduire les temps de résolution des problèmes thermo-élastoviscoplastiques. Ces méthodes sont développées dans des contextes variés : enrichissement d’éléments finis, réduction dimensionnelle, intégrateur spatio-temporel…
• Le développement de méthodologies de modélisation particulières principalement pour :
   la simulation du soudage FSW,
   la simulation du perçage,
   le calcul des efforts de coupe en régime stationnaire en usinage.