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N°7 – Novembre 1998
INFO
CARMA
La lettre du Centre d’Animation Régional en Matériaux Avancés – Provence Alpes Côte d’Azur
QU'EST CE QUE
L’Editorial
Le Centre d'Animation Régional en
Matériaux Avancés se tient à disposition des
entreprises régionales et offre ses
compétences dans le domaine des matériaux
pour le développement de projets
technologiques.
Le thème transversal des matériaux nous
amène à développer des sujets dans des
applications aussi diverses que celles de la
mécanique, le transport, le sport, le spatial,
le médical et les biotechnologies.
Ces sujets concernent :
- des recherches bibliographiques ;
- des études expérimentales ;
- des recherches de matériaux et de
fournisseurs ;
- le développement de produits allant
jusqu'à la réalisation du prototype voire un
transfert de technologies.
Afin de rendre plus efficace notre action, le
dernier conseil d'administration a décidé
d'ouvrir une antenne de représentation à
Marseille au sein de l'ESIM.
Des compétences autour de la métallurgie,
d'une part, des biotechnologies, d'autre
part, viennent renforcer les compétences
initiales du domaine des matières
plastiques.
La récente conférence organisée dans le
cadre de la convention d'affaires CONIMAT
concrétise l'action du CARMA autour des
matériaux adaptatifs.
A l'aube des appels d'offre du cinquième
programme cadre de recherche et
développement
de
la
commission
européenne, le CARMA se met à disposition
des entreprises régionales pour les aider à
organiser leur partenariat et leur sujet de
collaboration sur le thème des matériaux.
Une rencontre sur ce thème sera très
prochainement organisée. N'hésitez pas à
nous contacter si vous souhaitez être aidés
sur l'organisation de ces projets.
LA SIMULATION PAR PÂTE À MODELER
?
Par Alain Le Floc’h – Responsable du Groupe BEAS à l’Ecole des Mines
On peut se demander pourquoi la physique du forgeage commence seulement à être
comprise dans les années 1970, alors que cette technique est pratiquée depuis plus
de deux mille ans ?
Un premier argument tient au fait que pour des raisons évidentes, les "sciences de
l'ingénieur" se sont surtout intéressées au domaine des déformations réversibles des
matériaux : c'est à dire la résistance des matériaux et le calcul des structures. Le
domaine des déformations irréversibles ou plastiques étant un domaine interdit pour
cause de ruine de ces pièces et structures.
Le deuxième argument réside dans la difficulté à "voir" les déformations dans un
matériau métallique homogène. De nombreuses tentatives de "marquage" de la
matière ont été faites, mais toutes entraînent des hétérogénéités qui rendent les
interprétations de ces essais hasardeuses.
La simulation par pâte à modeler va permettre de visualiser les déformations de la
matière, et d'en mieux comprendre les mécanismes. En quoi consiste donc cette
simulation ?
La simulation par pâte à modeler, également appelée simulation physique des
procédés de mise en forme des matériaux, ou plus simplement simulation plasticine,
consiste à remplacer le matériau dont on veut étudier les déformations par de la pâte
à modeler. Cette substitution de matériau permet un "marquage" grâce à l'utilisation
de pâtes de couleurs différentes, sans que ces couleurs n'en affectent le
comportement à la déformation.
Il existe plusieurs types de "marquages" suivant ce que l'on désire "voir" dans la pièce
que l'on déforme. Si la pièce initiale (le lopin) est constituée de plaques parallèles de
pâte à modeler, on voit bien les déformations, mais il n'est pas possible d'en chiffrer
les intensités. Pour pouvoir chiffrer ces déformations, on insère dans la pièce initiale
(avant la mise en forme) des fils de couleurs différentes à la pâte à modeler. Ces fils
vont matérialiser des points du matériau lors de la coupe de la pièce déformée. Il est
nécessaire de réaliser autant de pièces que de stades de déformations étudiés :
chaque pièce étant coupée pour son analyse à un stade de déformation.
Marquages parallèles à axe vertical et horizontal pour l’écrasement de cylindres
(suite de l'article en page 4)
Le CARMA organise à Sophia Antipolis le 17 décembre 1998
une rencontre sur le thème :
"Matériaux Avancés et Programmes Européens"
Jean-Claude GIANNOTTA
Contactez-nous pour recevoir des informations
VOS CONTACTS CARMA
Jean-Claude GIANNOTTA
Directeur
Tél. : 04 93 95 75 77
Fax : 04 93 65 43 04
[email protected]
Isabelle PENOT
Ingénieur en Biotechnologies
Tél. : 04 93 95 75 62
Fax : 04 93 65 43 04
[email protected]
Florent JEGO
Ingénieur Projets R&D
Tél. : 04 93 95 75 18
Fax : 04 93 65 43 04
[email protected]
Catherine ALES
Marketing & Communication
Tél. : 04 93 95 75 64
Fax : 04 93 65 43 04
[email protected]
Industrie automobile :
La course aux matériaux avancés
L'utilisation de nouveaux matériaux est devenue pour les entreprises une nécessité.
L'industrie automobile en est une parfaite illustration. Gain de poids, gain de temps de
montage, augmentation de la sécurité, diminution de la pollution sont autant de critères
que le cahier des charges de l'industrie automobile doit prendre en compte.
Les innovations en matériaux introduites dans le domaine automobile concernent l'ensemble des familles de
matériaux (métaux et alliages, céramiques, matières plastiques et matériaux composites, peintures) et de
nombreux procédés de mise en œuvre (soudure, injection, extrusion, etc.).
L'innovation dans le domaine ne cesse de croître et notre région, même si elle ne rassemble pas les industries de
montage, participe à ce mouvement. L’implantation du centre de design européen de Toyota à Sophia Antipolis en
est une nouvelle illustration.
Depuis
les
années
80,
les
investigations
ont
porté
sur
la
substitution de l'acier composant la
carrosserie par un matériau plus
performant, l'objectif recherché étant
bien sûr
un gain de poids mais
également une amélioration de la
résistance aux chocs. Dans cette
perspective, l'utilisation de composites
offre une alternative intéressante qui a
d'ores et déjà fait son apparition sur
certains modèles.
En effet, l'application des normes
(Américaines et Européennes) sur la
sécurité des passagers de véhicules,
aboutit à recommander l'emploi de
composites pour la partie avant des
voitures.
Ces
matériaux
ont
effectivement satisfait aux tests de
résistance en cas de chocs frontaux, à
une vitesse de 56 km/h tandis que les
matériaux traditionnels, comme l'acier,
se déforment ou se plient lors des
chocs, les composites structuraux se
fracturent et s'effritent, subissant ainsi
un écrasement contrôlé [1].
Ces composites allient, le plus souvent,
une résine phénolique, polyester ou
encore époxyde, à des renforts tels que
le verre, le carbone ou encore à des
tissus divers.
On peut citer, à titre d’exemple, le
constructeur GPM AUTOMOBILE qui
commercialise, à hauteur de 200
exemplaires, une voiture dont la
carrosserie est entièrement réalisée en
composite. Il s’agit ici d’un polyester
armé de fibres de verre. L'utilisation de
ce matériau permet à cette voiture, de la
taille d'une Renault 19, d'avoir un poids
plume (730 kg) et d'être totalement
résistante à la corrosion.
Autre exemple plus courant, la Citroën
Xantia est équipée d’une nouvelle
poutre de renfort de pare-chocs
développée par Plastic Omnium. Pour
mettre au point ce produit, les
ingénieurs de Plastic Omnium ont
associé l'extrusion à la compression. Ce
procédé permet de mouler un composite
à matrice thermoplastique sans casser
les fibres de renfort. On obtient ainsi un
meilleur compromis entre tenue aux
chocs et rigidité [2].
UN PROCEDE EN DEUX ETAPES
Etalement de la matière
dans le moule
Retrait de l'unité de plastification
et fermeture du moule
La matière fondue est extrudée et
étalée dans le moule ouvert par l’unité
de plastification qui se déplace en x et y.
L’absence de buse et de seuil
d’injection évite de détériorer les fibres
de verre.
On constate également ces dernières
années le développement de nouveaux
alliages métalliques, dont le faible poids
permet
une
diminution
de
la
consommation de nos véhicules. On
peut citer, par exemple, l'apparition d'un
alliage titane-aluminium subissant un
traitement de thermodurcissage par
courant pulsé, le matériau étant alors
plus résistant à la chaleur et à la
lumière.
Les particules d'alliages sont introduites
dans un moule et soumises à un
courant pulsé pendant 5 à 10 minutes. Il
en résulte un matériau présentant une
structure cristalline fine, qui, s'il est
associé avec les technologies de pointe
des moteurs, permet une économie de
carburant de 10 %. Sa commercialisation
est prévue pour l'an 2000.
SNMI (Société Nouvelle de Métallisation
Industrielle) implantée en Avignon,
exploite quant à elle les propriétés des
Quasi-Cristaux
dans
un
nouveau
revêtement nommé Cristome.
Les Quasi-Cristaux sont des alliages
d'aluminium et de manganèse présentant
une structure en pentagone. Ces
structures ne peuvent a priori s'assembler
entre elles sans laisser d’espace,
cependant on constate qu'elles forment
une matière organisée. Cette structure
apporte
des
propriétés
physiques
inédites : une résistance à la chaleur, à la
rayure et à l'abrasion importantes ainsi
qu' un très bon coefficient de frottement
[3]. Le Cristome semble trouver des
applications notamment pour la protection
des parties chaudes du moteur (tête de
pistons, soupape, hauts de culasse, pipes
d'échappement).
Mais ce sont les alliages à base de
magnésium qui rencontrent actuellement
le plus de succès auprès des
constructeurs. En effet le faible poids de
ce matériau (25 % plus léger que les
alliages traditionnels composés de
silicium et d'aluminium) permet de réduire
sensiblement la consommation du moteur
automobile. Cependant le magnésium
présente une fâcheuse tendance à la
déformation (fluage) lorsqu'il est soumis à
la chaleur (250°C pour un piston). Pour
compenser cet inconvénient, des fibres
de carbone peuvent être incorporées.
BMW utilise ainsi cet alliage pour le
développement de nouveaux pistons [4].
Pour mouler le magnésium, il faut d'abord
le fondre, ce qui n'est pas sans difficulté,
car le temps de chauffe est très long. De
plus des mini-bulles de gaz se forment à
l'intérieur du métal, le rendant plus
cassant.
Pour cela a été développé au Centre de
Mise en Forme des Matériaux de l'Ecole
des Mines de Paris à Sophia Antipolis
une technique permettant le moulage du
magnésium à l'état semi-solide. On utilise
le chauffage par induction qui permet une
grande rapidité des opérations. On
obtient ainsi un état pâteux dont la
température est de 560 °C, soit 140 °C
de moins que la température de fusion
du magnésium. Le magnésium est
ensuite injecté sous pression pour
obtenir la pièce voulue [5].
Les
céramiques
présentent
des
propriétés comparables à celles du
magnésium et offrent en plus une bonne
isolation thermique ainsi qu’un faible
coefficient de frottement. Ces nombreux
avantages permettent d'optimiser le
rendement des moteurs et de réduire
ainsi la consommation de carburant. Ce
matériau est le plus souvent destiné à la
fabrication d'éléments de moteur ou de
roulements pour automobiles. Le
matériau
céramique
à
faibles
coefficients de frottement et d'usure
développé par L'Isuzu Céramique
Research Institute, au Japon, en est un
parfait exemple.
Pour le produire, on disperse des
particules de composé ferreux ultra
fines de diamètre inférieur à 1 mm dans
un matériau céramique d'origine,
constitué de nitrite de silicium. Ce
matériau est ensuite chauffé à 1200°C
afin de laisser des micro-trous poreux,
puis il est imprégné d'une solution
nitrique contenant du fer dissous avant
de subir un frittage à 1800 °C. Des
segments de pistons pour automobile
ont ainsi été fabriqués. Leur prix est dix
fois plus élevé que pour des segments
de pistons ordinaires. Mais cet
inconvénient est compensé par une
réduction de la consommation de
carburant (environ 10 %) et une
amélioration de la fiabilité grâce à la
diminution des coefficients de frottement
et d'usure [6].
Daimler Benz teste également de
nouvelles soupapes d'admission et
d'échappement composées
d'une
céramique de nitrite de silicium.
Pour la fabrication de cette céramique,
on mélange du nitrure de silicium
extrêmement pur avec des particules à
forte dilatation. On obtient, après
chauffage, des microfissures au sein de
la céramique apportant ainsi une
pseudo élasticité par dispersion des
forces.
Une soupape d'échappement ainsi
fabriquée ne pèse que 26 g, soit 54 %
de moins que son équivalent métallique.
Ce gain de poids permet au total une
réduction énergétique des frottements
d'environ 250 W. Une C-230 se trouve
ainsi plus silencieuse et procure une
économie de 0.3 à 0.5 l de carburant
pour 100 kms [7].
Bien que la diminution du poids de
l'automobile permette de diminuer la
consommation de carburant, cela n'est
pas suffisant pour satisfaire au
paramètre écologique.
La recherche d'une voiture plus propre
pousse ainsi les constructeurs à
employer de nouveaux matériaux.
Les principales innovations concernent
la conception du pot catalytique afin
d'en améliorer les performances. Un
revêtement catalytique composé de
fibres d'alumine et de silice mélangées
a été développé par les sociétés Ibiden
et Toyota. Il est destiné au nettoyage
des gaz d'échappement automobiles.
Ce mélange de fibres permet d'obtenir
une résilience à haute température bien
meilleure que celle des matériaux
traditionnellement utilisés. On s'assure
ainsi que le pot catalytique peut
fonctionner pendant une plus longue
durée, même à haute température. La
Toyota Vista bénéficie déjà de cette
technologie, les autres modèles devraient
suivre sous peu [8].
On observe ainsi l'émergence de
nouveaux matériaux, de nouvelles
techniques de fabrication, afin de
répondre à la demande du consommateur
ou aux exigences des nouvelles normes.
Cependant de nombreuses recherches
sont encore nécessaires pour poursuivre
dans cette voie qui permettra aux
constructeurs automobiles d'améliorer à
la fois les performances techniques et
environnementales des véhicules tout en
renforçant la sécurité des personnes. De
grands équipementiers automobiles sont
présents dans notre région, tels que
SOLLAC, premier fournisseur européen
d'acier aux industries automobiles,
Mecaplast, Silvatrim à Monaco pour ce
qui concerne les pièces en matières
plastiques. La présence de l’industrie
automobile,
encore
renforcée
par
l’implantation d’un bureau de design de
Toyota dans les Alpes Maritimes,
encourage les laboratoires de notre
région (l'Ecole des Mines, l'ESIM…) à
mobiliser leurs énergies afin de participer
à l'élaboration de nombreux projets
innovants.
Frédéric DELAVAL
Bibliographie :
[1] Vigie Matériaux N°20
[2] http://www.plasticomnium.co*
[3] http://www.snmi.com
[4-7] Vigie Matériaux N°30
[2-8-9] Vigie Matériaux N°28
[5] Entretien avec Jean Collot de l'Ecole
des Mines de Paris
[6-8] Vigie Matériaux N°36
Les adhérents de l’association
JB Plast
La mise en forme du PVC est une activité relativement peu représentée dans la région Provence Alpes Côte d'Azur. La présence
d'une PMI spécialisée dans l'extrusion de profilés en PVC dans le département des Alpes de Haute Provence est donc d'autant plus
inattendue. JB PLAST, implantée depuis deux ans à proximité du village médiéval d'Entrevaux, a su développer une activité lui
permettant de proposer un savoir faire local face à la concurrence des grands extrudeurs européens. Il ne s'agit pas d'aller à
l'encontre du progrès mais de proposer une sous-traitance de qualité et parfaitement adaptée aux besoins de clients situés dans
toute la région déclare Mme BEGNIS, gérante de la société. La principale activité de l'entreprise gravite autour de la production et
l'assemblage de fermetures destinées à l'industrie du bâtiment mais JB PLAST tient à affirmer ses compétences en mécanique de
précision. C'est ce savoir-faire qui nous permet de réaliser nos propres outillages et de proposer des filières d'extrusion ou des
moules d'injection à certains de nos clients spécialisés dans la transformation de matières plastiques. Toujours dans la perspective
de développer l'activité de cette PMI familiale, les BEGNIS développent à l'heure actuelle un nouveau système destiné à des
couvertures de piscines. Une nouvelle activité qui trouvera sans doute des débouchés dans notre région pour cette PMI qui illustre
le mariage réussi de la tradition et l'innovation.
Contact : Mme BEGNIS - Tél. : 04 93 05 42 42 - Fax : 04 93 05 43 13
Biofluid Systems
Société de 4 personnes, située à Nyon (Suisse), Biofluid Systems est spécialisée dans la conception d’appareils principalement
destinés au domaine biomédical. De nombreux projets sont en cours, dont un particulièrement ambitieux relatif à une machine de
plasmaphérèse.
Contact : M SEITELBACH - Tél : +41 (0)22 363 67 90 - Fax : +41 (0)22 363 67 99 - E-mail : [email protected]
(Suite de l’article de la page 1)
Simulation de mise en forme de pignons de boîtes de vitesse
Autre limite : le domaine élastique des pâtes à modeler est très supérieur à celui des
métaux. En conséquence, la simulation des procédés à faibles déformations plastiques
(emboutissage) est plus délicate à interpréter (fort retour élastique).
Cette technique a été et est encore très employée, principalement par les industriels de
la forge. Elle leur permet de vérifier le "remplissage" correct de leurs nouvelles gravures
et met en évidence la formation d'éventuels défauts. La simulation numérique est pour
les pièces de révolution, plus performante : elle apporte plus de renseignements, dans
un temps plus court, mais nécessite plus de qualifications (rhéologie, tribologie,
informatique…). Dans les laboratoires, elle a été très employée pendant quinze ans, à
partir des années 1970, et a permis de faire d'énormes progrès dans la compréhension
des mécanismes de déformation (modèle de la borne supérieure, méthode des lignes
de glissement), mais a également permis de "caler" les logiciels éléments finis actuels
(Forge 2, Forge 3D). Mentionnons que la simulation par matériau modèle a été
largement utilisée en géologie dans des problèmes de déformation des plaques
continentales (tectonique des plaques). Actuellement la simulation plasticine est utilisée
dans des domaines pour lesquels la simulation numérique est encore impuissante tels
que la simulation de la métallurgie des poudres et des écoulements diphasiques.
Cette technique donne accès aux déformations et aux forces mises en jeux lors de la
mise en forme d'un matériau, et est en plus extrêmement pédagogique. Elle donne à
voir et "sentir" la matière qui se déforme. C'est cette qualité qui la rendra pérenne.
L’AGENDA DES SALONS
ET MANIFESTATIONS
À NE PAS RATER EN
DÉCEMBRE
q
EUROMOLD
Salon européen du moulage et
de l’outillage
Francfort
du 2 au 5 décembre 1998
q
EUROBOT
Salon européen de la robotique
et de l’automation
Francfort
du 2 au 5 décembre 1998
q
AEROMART
Convention d’affaires
Européennes de l’Industrie
Aéronautique
Toulouse
16 et 17 décembre
« Structures et matériaux
amortissants »
« Assemblage par collage »
Les deux conférences organisées par
le CARMA en octobre et novembre
sur ces deux thèmes ont rassemblé
respectivement une trentaine et une
cinquantaine de participants.
Les exposés des experts venus
spécialement de différentes régions
de France ont été très largement
appréciés et ont suscité de
nombreuses
questions.
Des
rencontres du même type sur
d’autres
thèmes
relatifs
aux
matériaux seront organisées en
1999. INFO CARMA vous tiendra au
courant.
Editeur : CARMA - BP 207 - 06904 Sophia Antipolis
Directeur de la publication :
C. LENOTRE - Président du CARMA
ISSN : en cours d'obtention
L'évolution des distances entre les points des différents stades de déformation de la
pièce étudiée permet de calculer les déformations. Ce calcul nécessite une hypothèse
sur la manière dont se déforme la matière, car entre deux configurations de
déformations il existe une infinité de chemins pour passer de l'une à l'autre.
Le relevé des points est fait en "scannant" les coupes des différents stades de
ième
déformation (marquage initial, premier stade,…, n
stade de déformation).. Le calcul
est fait numériquement, et le résultat de ce calcul est donné sous forme de cartes des
déformations (une couleur donne une fourchette d'isovaleurs des déformations). La
connaissance de la carte des déformations est importante, car elle est une image de la
"santé" de la pièce : une bonne pièce aura un taux de déformation important et un faible
écart entre les déformations extrêmes.
Un autre problème du praticien est de comparer les capacités de ses outils (marteaux,
presse,…), aux grandeurs mécaniques nécessaires (forces, couple,…) à la fabrication
de pièces.
La nature du matériau de la pièce à fabriquer entre alors en compte sous la forme de la
"rhéologie" : c'est la relation entre les forces appliquées et les déformations qu'elles
produisent. En "bricolant" des pâtes à modeler, on se débrouille pour que à un facteur
de proportionnalité près, ces relations soient identiques entre le matériau que l'on simule
et la pâte à modeler "bricolée" servant à le modéliser. L'échelle de modélisation peut
être choisie : une petite pièce pourra être grossie pour être mieux étudiée, inversement
une grosse pièce pourra être simulée à plus petite échelle. Les différents facteurs
d'échelles (dimension, rhéologie, temps) sont appelés cœfficients de similitudes et
permettent d'une part de réaliser les simulations dans de bonnes conditions
expérimentales (vitesse, forces de masse et d'inertie), d'autre part de pouvoir extrapoler
les résultats obtenus lors de ces simulations aux cas réels. On peut donc à partir de
maquettes instrumentées déformant de la pâte à modeler mesurer les grandeurs
mécaniques, et être capable de prévoir les grandeurs homologues sur une installation
industrielle employant un matériau "réel".
Nous avons ainsi "dimensionné" de nombreuses installations industrielles de laminage,
de cisaillage, de forgeage à partir de simulation sur pâte à modeler.
Un calcul d'erreur montre qu'une erreur relative de 5 % sur les grandeurs déduites de la
simulation sont accessibles. Les efforts mis en jeux lors de la déformation de la pâte à
modeler étant très inférieurs à ceux nécessaires à la déformation d'un métal, les outils
sont moins conséquents et beaucoup moins onéreux.
Cette technique présente néanmoins, comme toute technique, des limites.
Dans un processus de mise en forme, l'énergie de déformation se transforme en chaleur
provoquant un auto-échauffement de la pièce. La pâte à modeler ne nécessite que de
faibles énergies de déformation et possède des caractéristiques thermiques différentes
des métaux : elle se comporte comme si la déformation se faisait de manière isotherme.
La simulation ne prend pas en compte les phénomènes thermiques.
Simulation de filage avant