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La simulation métallurgique s'impose

Jean-François Prevéraud

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La simulation métallurgique s'impose

© Imatra Kilstable ab/DR

- Les logiciels spécialisés s'apprêtent à quitter le domaine de la R&D et deviennent des outils de modélisation du processus d'élaboration des métaux.

La simulation numérique est devenue un moyen performant d'aide à la conception des pièces industrielles. En limitant le recours aux prototypes et aux tests physiques, elle participe largement à la réduction des cycles et des coûts de développement des nouveaux produits. Seul inconvénient, son postulat que la matière est isotrope, c'est-à-dire qu'elle présente les mêmes caractéristiques mécaniques en tout point. C'est loin d'être le cas dans la réalité... D'où la montée en puissance de la simulation métallurgique qui s'intéresse à la structure même de la matière.

Développée initialement pour les pièces à forte valeur ajoutée - nucléaire, aéronautique, outillage de frappe de grandes dimensions... - cette simulation "new look" est encore à la frontière entre la R&D et l'industrialisation. Mais elle avance à grands pas et commence déjà à se démocratiser. L'industrie automobile, par exemple, s'y intéresse dans le but de simuler des carters de moteurs, des culasses ou des disques de frein.

Définir la microstructure cristalline

« Les caractéristiques mécaniques des pièces, notamment dans les domaines de la fatigue, des vibrations ou des chocs, sont directement dépendantes de la microstructure cristalline de la matière », explique Yvan Chastel, responsable du groupe Métallurgie, structure, rhéologie du Centre de mise en forme des matériaux (Cemef). Le Cemef est l'un des dix-huit centres de recherche de l'École nationale supérieure des mines de Paris. Il s'intéresse simultanément au produit fini et aux process d'obtention et de mise en forme de la matière, afin de trouver l'optimum apte à satisfaire l'utilisateur de la pièce finale.

Plusieurs voies d'amélioration sont ainsi menées de front. Il s'agit, par exemple, de trouver la microstructure cristalline la plus à même de fournir les caractéristiques mécaniques nécessaires à la pièce. Ou bien encore de définir au mieux les paramètres du processus d'élaboration de la matière pour garantir l'obtention de la microstructure cristalline recherchée. Soit, enfin, de déterminer précisément la nature, les cycles et les paramètres des traitements thermiques et de surface à appliquer à une pièce.

Reproduire les procédés de fonderie

Pour les utilisateurs les avantages sont multiples. Ils dimensionnent au mieux leurs produits. Ils peuvent choisir des matériaux moins nobles - donc moins coûteux - en simulant plus précisément le comportement de leurs pièces. Enfin, ils définissent avec précision la gamme des traitements thermiques ou de surface à appliquer. Les métallurgistes, pour leur part, affinent leurs processus de fabrication pour être sûr d'obtenir la matière souhaitée par leurs clients, sans avoir à se livrer à de nombreuses coulées d'essai.

Avec les outils de simulation numérique, les métallurgistes sont aussi à même de prévoir la nature, l'intensité et la localisation d'éventuels défauts dans la structure de la matière. « Les criques et les retassures, vides au sein de la matière, sont dues à des déformations internes intervenant lors du refroidissement, provoquées par des différences de dureté et de coefficient de dilatation entre les multiples phases microcristallines », explique Laetitia Pégié, ingénieur chez l'éditeur Transvalor.

Un logiciel comme TherCast, - en cours de développement dans le cadre des projets de recherche GPI-Fonderie et OSC -, reproduit les procédés de fonderie des métaux. Outre le remplissage du moule, il simule le refroidissement thermomécanique 3D de la pièce, en tenant compte des interactions avec tous les composants du moule. Il assure également la prédiction des retassures, des lames d'air et des déformations des moules. Il sert aux industriels à optimiser la fabrication de leurs pièces existantes et constitue une aide précieuse pour la mise au point de nouvelles pièces.

De tels logiciels sont le fruit de collaborations étroites entre des centres de recherche, des universités et des industriels. Parmi les grands programmes de R&D actuellement en cours en France, figurent Optimat et Simulforge. Le premier est un projet RNTL (Réseau national des technologies logicielles). Il a pour objectif d'aider à concevoir des produits aux propriétés déterminées, tant du point de vue géométrique, microstructural que des propriétés en service. Les partenaires en sont : le Cemef, l'Ensam d'Angers, l'Institut supérieur de la conception de l'UTC, l'Ensmp de Besançon, Mecalog, Transvalor, Deville SA, Aubert & Duval, Amis- Sifcor et PSA.

Optimiser les traitements thermiques

Le second projet, Simulforge, regroupe seize forgerons avec des laboratoires de recherche afin de simuler le procédé global de fabrication de pièces forgées. Il devrait également permettre de prévoir la structure métallurgique de la pièce en fin de fabrication.

Tous les alliages métalliques sont susceptibles d'être l'objet de simulations métallurgiques mais, taille de marché oblige, les aciers et fontes sont pour le moment encore les mieux traités. La validation des codes de calcul et des modèles de données est en effet très lourde et impose de très nombreux essais physiques pour offrir une corrélation correcte avec la réalité.

Autre frein au développement de la simulation métallurgique, le volume important des modèles qui impose des temps de calcul considérables. Il faut en effet traiter des phénomènes microscopiques dans des pièces de grande taille. Des travaux sur des mailleurs auto-adaptatifs, capables de mixer les niveaux micro- et macroscopiques, sont en cours au Cemef pour réduire la taille des modèles.

ESI Group résout ce problème en proposant une gamme de logiciels. Le premier, QuickCast, assure une évaluation rapide du remplissage et du refroidissement d'un moule ainsi que de la solidification correcte de la matière. Une fois le procédé validé, ProCast prend le relais pour affiner les paramètres. Les modules avancés de Calcosoft s'intéressent, pour leur part, à la structure des grains, aux macroségrégations, aux différentes phases et à leurs transformations, ainsi qu'aux porosités.

Parmi les laboratoires les plus en pointe sur le sujet, le Laboratoire de science et génie des matériaux et de métallurgie (LSG2M) de l'École des mines de Nancy. Celui-ci traite, entre autres, du génie des micro-structures des alliages métalliques, en prenant en compte le détail complexe des couplages qui s'établissent entre les traitements thermomécaniques, les contraintes internes, les équilibres entre phases et les microstructures qui en résultent. « Notre ambition est de comprendre les mécanismes élémentaires, à l'échelle des phases. Les applications sont tournées vers l'optimisation des traitements thermiques de matériaux métalliques de structure », explique Elisabeth Aeby-Gautier, responsable du groupe Thermique, mécanique et microstructure du LSG2M.

L'ESSENTIEL

- La simulation détermine la microstructure cristalline la plus à même de fournir les caractéristiques mécaniques nécessaires à une pièce. - Elle prévoit la nature, l'intensité et la localisation d'éventuels défauts dans la structure de la matière. - Elle s'étend actuellement à l'automobile, après avoir été développée dans des domaines à forte valeur ajoutée (nucléaire...).

POUR LES PROCESS

> La validation des paramètres du process de fabrication, l'évaluation de la qualité du moulage (ci-dessus pour une pièce aéronautique) ou des porosités de la pièce finale (à gauche une roue en aluminium), ont été réalisées avec le logiciel ProCast d'ESI Group.

POUR LES PIÈCES

> La simulation du processus de forgeage, à l'aide de Forge3 de Transvalor, permet de prévoir les qualités métallurgiques et mécaniques des pièces comme, à droite un porte-moyeu et, ci-dessous, un rivet.

MODÉLISER DES LINGOTS DE 250 TONNES

- Industeel, filiale du groupe Arcelor, fait dans la simulation de poids puisqu'elle traite actuellement des lingots de 196 tonnes et entend dépasser les 250 tonnes d'ici à la fin de l'année. « Nous voulons modéliser l'ensemble du process de production de nos lingots afin de pouvoir garantir à nos clients la qualité de la matière que nous leur fournissons », explique Isabelle Poitrault, responsable de la section étude des procédés de l'aciériste. Il s'agit notamment de garantir l'absence de défauts, les caractéristiques mécaniques et l'usinabilité des blocs. « La simulation nous a aussi permis d'optimiser notre processus de coulée et de refroidissement. »

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