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Logiciel : La simulation métallurgique s'impose

LES LOGICIELS SPECIALISES S'APPRETENT A QUITTER LE DOMAINE DE LA R&D ET A DEVENIR DES OUTILS DE MODELISATION DU PROCESSUS D'ELABORATION DES METAUX ET DE PREVISION DE LA STRUCTURE MICRO-CRISTALLINE DES PIECES.
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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 produits nouveaux. Seul inconvénient : elle considère 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. Elle  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  pour simuler des carters moteurs, des culasses ou des disques de frein. « Les caractéristiques mécaniques des pièces, notamment dans les domaines de la fatigue, des vibrations ou des chocs sont directement dépendantes de la micro-structure 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 18 centres de recherche de l'Ecole 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'optimisation sont ainsi menées de front. Il s'agit par exemple de trouver la micro-structure cristalline la plus à même de fournir les caractéristiques mécaniques nécessaires à la pièce. Ou encore de définir au mieux les paramètres du processus d'élaboration de la matière pour garantir l'obtention de la micro-structure cristalline recherchée. Ou, enfin, de déterminer précisément la nature, les cycles et les paramètres des traitements thermiques et de surfaces à appliquer à une pièce.

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 précisément la gamme des traitements thermiques ou de surfaces 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 également à même de prévoir la nature, l'intensité en 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 duretés et de coefficients de dilatation entre les multiples phases micro-cristallines », 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 aussi 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 recherches, 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 logiciel). Il a pour objectif d'aider à concevoir des produits aux propriétés déterminées, tant du point de vue géométrique, micro-structural 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 ; Mécalog ; Transvalor ; Deville SA ; Aubert & Duval ; Amis-Sifcor et PSA.

Le second projet, Simulforge, regroupe 16 forgerons avec des laboratoires de recherches 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 les 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 relai pour affiner les paramètres. Les modules avancés de Calcosoft s'intéresserpour leurpart à la structure des grains, aux macro-ségrégations, 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'Ecole des Mines de Nancy. Celui-ci traite entre autre 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.
Jean-François Prevéraud

 


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