LEM3

UMR CNRS 7239
UdL
CNRS
ENSAM

                               
Equipes
SIP : Surfaces Interfaces et Procédés
Responsables
Daniel DUDZINSKI & Abdelhadi MOUFKI
Associé
Olivier BOMONT
Membres permanents
Nom Prénom Statut Bâtiment Bureau Téléphone
BOMONTOlivier Professeur agrégé ENSAM Bat. B 090 03-87-37-54-35
D'ACUNTOAlain Maître de conférences ENSAM Bat. B 092 03-87-37-54-85
DUDZINSKIDaniel Professeur CIRAM 111 03-87-37-42-86
LE COZGael Ingénieur d'Etudes UL LEM3 003-RDC 03-72-74-78-69
LESCALIERChristophe Maître de conférences ENSAM Bat. B 090 03-87-37-54-35
MOUFKIAbdelhadi Professeur LEM3 003-R+2 03-72-74-78-14

Membres non permanents
Nom Prénom Statut Bâtiment Bureau Téléphone
AMEWOUI EKOUE-ADJOKAFoli Doctorant LEM3 004-R+2 03-72-74-53-74
ARTOZOULJulien Doctorant
HADDADFares Doctorant LEM3 002-R+2

Présentation
Les activités de l’équipe SIP ‘Surfaces, Interfaces et Procédés’ s’articulent autour de deux axes:
  • La modélisation thermomécanique des procédés d’usinage et d’assemblage.
  • des études expérimentales de l’usinage industriel autour de la plateforme.
Dans le cas de l’usinage, l’état des surfaces, l’intégrité des surfaces usinées dépend directement des conditions de coupe et du procédé utilisé (tournage, fraisage, perçage). La qualité des produits usinés et la réduction des temps d’usinage sont obtenues par l’optimisation des conditions de coupe, des trajectoires des outils, des géométries de ces outils. Cette optimisation peut se faire par des essais nombreux et coûteux ou par l’utilisation de la modélisation et la simulation des procédés avec des logiciels adaptés. La modélisation de la coupe et des procédés d’usinage prenant en compte la complexité des phénomènes observés expérimentalement et conduisant au développement de logiciels de simulation est un des principaux objectifs de l’équipe.

La réalisation de cet objectif passe nécessairement par l’analyse du processus de formation du copeau et des phénomènes aux interfaces outil-matière. Des modèles ont été proposés dans le passé, ils concernent la coupe élémentaire. Leur application aux procédés industriels nécessite des améliorations permanentes prenant en compte la complexité des phénomènes thermomécaniques associés à la coupe. Ainsi, la modélisation des procédés d’usinage demande la combinaison de :

recherches fondamentales (plasticité dynamique, tribologie, thermique, analyse des instabilités et vibrations, physico-chimie de l’usure etc...)
et d’approches adaptées et liées à la technologie du procédé d’usinage (arête complexe ou multiple, confinement dans le cas du perçage, usinage intermittent en fraisage…)
La plateforme technologique, sous l'appelation USINOV, regroupe des moyens conséquents (plusieurs centres d’usinage à grande vitesse, 3 et 5 axes, tours dont un tour de forte puissance, et des moyens de mesure et d’observations associés). C’est une des principales plateformes du LEM3. Elle permet de mener à bien des études associées à la modélisation, mais aussi des études expérimentales telles que celles liées à :
  • à l’usinage à sec (qui a fait l’objet de plusieurs études financées ADEME, en collaborations avec des industrielles) ;
  • à l’usinabilité des nouvelles nuances d’acier, des nouveaux matériaux, en particulier ceux développés au laboratoire (matériaux à mémoire de forme, biocompatibles, hyperdéformés…) ;
  • au développement de nouveaux revêtements, de nouvelles géométries d’outils.
Enfin, les similitudes existant entre les procédés d’usinage (le fraisage en particulier) et le procédé FSW (Friction Stir Welding, soudage par friction-malaxage) ont conduit une partie de l’équipe à s’intéresser à ce procédé d’assemblage, plus précisément sur les aspects modélisation.

Les activités de l’équipe sont inscrites dans :
  • le projet P07 (Usinage propre et économe en énergie, interfaces aux conditions extrêmes) du CPER Lorraine ;
  • l’IRT Matériaux Mécanique et Procédés ;
et font l’objet de collaborations industrielles.
Les projets de l'équipe SIP pour la période 2013-2017
Pour 2013-2017, l’équipe SIP souhaite renforcer le développement des thèmes résumés ci-dessous alliant recherche fondamentale et recherche appliquée et permettant les transferts vers les procédés industriels :
  • Expérimentation et modélisation des procédés industriels d’usinage
  • Micro-usinage
  • Nouveaux matériaux et usinage
  • Assistance à l’usinage
  • Thermomécanique des interfaces de contact: application aux procédés
  • Soudage Friction-malaxage FSW
Expérimentation et modélisation des procédés industriels d'usinage
Actuellement, ni les modèles Eléments Finis ni les modèles analytiques ne constituent une solution pleinement satisfaisante à la simulation des procédés d’usinage industriels. Une telle solution doit être capable de prédire: (1) les efforts de coupe, (2) l’échauffement et l’usure de l’outil, (3) l’intégrité de la surface usinée (géométrie et contraintes résiduelles), et (4) l’aspect vibratoire de la coupe. A partir de ce constat, une approche hybride ‘Analytique-EF’ a été proposée, elle est basée sur un couplage entre nos modèles analytiques (zone de cisaillement primaire, interface outil-pièce, interface outil-copeau, lois d’usures) et l’approche EF (pour la thermomécanique de la pièce usinée et de l’outil de coupe). Ceci nous permettra d’aller vers les besoins industriels en proposant des simulations capables d’analyser l’effet du mode d’usinage sur le couple outil-pièce.

Une thèse débutée en septembre 2010 (thèse de J. Artozoul), a pour objectif de mettre en oeuvre une telle approche hybride ‘Analytique-EF’. Celle-ci se compose en plusieurs étapes:
  • Modélisation du processus thermomécanique de formation du copeau
  • Modélisation du contact collant-glissant à l’interface outil-copeau
  • Modélisation des flux thermiques dans l’outil et dans la pièce
  • Simulation EF des problèmes thermiques dans l’outil et dans la pièce
L’application à un procédé industriel est celle liée au perçage, elle doit de plus prendre en compte les spécificités associées à ce procédé (confinement, écoulement du copeau). L’approche ainsi développée doit conduire à un outil de simulation facilement exploitable au niveau industriel pour prédire les efforts de coupe et les températures dans l’outil et dans la pièce.

Ce type d’étude sera poursuivi au-delà de la thèse, cela nécessitera des améliorations et aura pour applications les autres procédés industriels d’usinage (fraisage, trêflage…). Les aspects vibratoires et usure des outils restent des problématiques à étudier et à intégrer dans les approches modélisations des procédés, même si quelques études concernant ces aspects existent déjà, elles sont à compléter et à améliorer.

La modélisation repose également sur les observations, les mesures réalisées lors d’essais sur les machines de la plateforme. La validation des modèles est une phase essentielle de ce travail.

En plus de ces approches de modélisation des études plus expérimentales continueront à être réalisées sur la plateforme. Certaines seront développées dans la suite. Elles concerneront l’optimisation des conditions de coupe, l’étude des revêtements et l’usure des outils, l’intégrité des surfaces réalisées, les stratégies d’usinage et les trajectoires des outils.

Collaborations: Equipe MéNu, TMP
Micro-usinage
Les microsystèmes, obtenus par assemblage de différents composants micromécaniques, représentent une révolution comparable à celle des microprocesseurs. Les domaines d’application sont multiples: l’aérospatial, la biomécanique, l’électronique, la communication, …etc. Les modes de fabrication tels que la gravure chimique, la micro-lithographie…etc. présentent plusieurs limitations: procédés lents, application à quelques matériaux, forme géométrique simple (généralement plane), moyens de fabrication très coûteux. Le micro-usinage, quant à lui, offre une autre possibilité pour la fabrication de ces composants micromécaniques. Les avantages sont nombreux: le coût des moyens de fabrication est plus faible, possibilité d’usiner des formes complexes et une grande variété de matériaux (alliages métalliques, polymères, céramique…etc.).

Au niveau de la modélisation, plusieurs verrous scientifiques sont à prendre en compte:
  • les connaissances en macro-usinage ne sont pas toutes transposables au micro-usinage par une simple loi d’échelle,
  • l’hétérogénéité des matériaux à usiner ne peut plus être ignorée,
  • usinage au niveau du rayon d’arête,
  • usure très rapides des outils, … etc.
L’une des voies à explorer est le couplage entre les modèles analytiques que nous avons développés et la plasticité cristalline. Cette dernière servira à la modélisation du comportement du matériau à usiner.

La partie expérimentale servira à identifier et à analyser les mécanismes physiques qui contrôlent le processus de formation du copeau lors du micro-usinage. Elle servira également à valider les modèles et à étudier les modes d’usure des outils.

Applications : dentaire, biomédical, microélectronique, micromécanique
Machine 5 axes

Collaborations: Equipes TMP, SMART
Nouveaux matériaux et usinage
Nanostructuration des matériaux et usinage
Les études menées par l’équipe TMP sur la diminution de la taille des grains d'un matériau par hyperdéformation (procédés ECAE, HPT) permettent d'optimiser un grand nombre de propriétés (dureté, ductilité, superplasticité...). L’obtention d’une pièce fonctionnelle passe nécessairement par un procédé de mise en forme. Dans le cadre de l’usinage, il est prévu d’étudier l’effet des conditions d’usinage, et donc de l’échauffement et des déformations associées à l’usinage sur la microstructure. Un autre aspect de ce projet est l’optimisation de l’affinement de la microstructure pour une meilleure usinabilité en micro-usinage.

Collaborations: Equipe TMP
Usinage des nouvelles nuances d'acier
Une des thématiques de recherche concerne l’étude de l’usinabilité des aciers et notamment l’influence de la structure métallurgique et des populations inclusionnaires. L’objectif de cette thématique est de valider voire d’affiner les solutions métallurgiques mises en œuvre dans l’élaboration des nouveaux aciers. En effet, la hausse du coût des matières premières et notamment celle des principaux éléments d’addition tels que le nickel, le chrome ou le molybdène pousse à abandonner les nuances d’acier allié traditionnelles. Les sidérurgistes développent de nouvelles nuances aussi performantes mécaniquement mais plus accessibles économiquement. Durant le développement de ces nuances, l’usinabilité est au cœur des préoccupations puisque les donneurs d’ordre attendent des solutions aciers autorisant la même productivité voire conservant cette productivité en usinage à sec.

Nous avons mis au point des protocoles expérimentaux destinés à préciser l’influence des solutions métallurgiques sur l’usinabilité au travers de grandeurs objectives. Ces protocoles existent en tournage, taillage d’engrenage et perçage. Les derniers travaux concernent principalement le perçage. Ils sont complétés par des études sur l’analyse de la distribution des contraintes dans les zones de contact outil / copeau. L’objectif est de préciser les zones les plus sollicitées de l’outil afin le cas échéant de mettre en évidence les géométries d’outil les plus pertinentes. L’approche comprend entre autres l’établissement de nouveaux indicateurs permettant de hiérarchiser rapidement les aciers entre eux voire les couples outil matière. Ces indicateurs portent notamment sur la difficulté à évacuer les copeaux (et donc implicitement la morphologie des copeaux) et la distribution des contraintes le long des arêtes. Les perspectives visent à affiner l’approche thermomécanique du perçage afin de mieux prédire les distributions de contraintes et de température dans les zones de contact outil / copeau.

Collaborations : SMART, TMP
Usinage des nouveaux alliages de titane biocompatibles
Dans le cadre de l’ANR Tibbia (Responsable Pascal Laheurte, LEM3 Metz) des travaux de recherche ont permis l’élaboration d’un nouvel alliage de titane bêta biocompatible adaptatif nanostructuré. Ses caractéristiques mécaniques à très faible module d’élasticité, proche du module de l’os cortical et sa biocompatibilité en font un matériau recherché en implantologie dentaire. En effet, la présence d’un implant dans l’os conduit à une redistribution des contraintes mécaniques appelée déviation des contraintes dont l’amplitude est proportionnelle à la différence de rigidité entre l’os et l’implant en titane.

La mise en œuvre de lingots d’alliage est aujourd’hui maîtrisée au sein du laboratoire, sa mise en forme reste un point délicat et un certain nombre de difficultés ont été mises en avant par une première étude d’usinabilité : faible qualité des surfaces ; bavures. L’étude de l’usinabilité de ce type d’alliage et l’usinage de pièces pour le dentaire ou le biomédical sont en projets en collaboration avec l’équipe SMART. Ces études s’insèrent également dans la thématique micro-usinage.
Assistance à l'usinage
L’usinage est un procédé qui balaye aujourd’hui un très large champ de techniques, outils et matériaux. Certains de ces matériaux appelés « difficiles » du fait de leur capacité à être mis en forme par enlèvement de matière représentent une part importante des défis technologiques. Cette famille de matériaux regroupe les matériaux fragiles, les superalliages à base de titane, cobalt, ou nickel, ou les aciers durs traités. Une des possibilités qui se développe de plus en plus pour ces applications est l’assistance à l’usinage.

Elle consiste à utiliser des apports extérieurs supplémentaires pour faciliter la coupe. Par exemple, l’utilisation d’assistance par refroidissement cryogénique, par préchauffe par faisceau laser, ou par des phénomènes de vibrations autonomes ou imposées semble une des possibilités à l’optimisation de l’usinage de ces matériaux. Dans cette thématique globale s’inscrivent ces travaux qui portent plus particulièrement sur le développement du perçage vibratoire haute-fréquence, dit usinage assisté ultrasons.

Le principe fédérateur de l’usinage assisté ultrasons est d’imposer à l’outil en plus de sa trajectoire conventionnelle des vibrations de faible amplitude et avec de fréquences élevés. L’amplitude, la fréquence et les trajectoires des ces dernières sont des paramètres à étudier dans la cadre du développement de tels applications.

Les intérêts semblent alors multiples. D’une part, un adoucissement de la sévérité des frottements en face de coupe est observé et entraîne une diminution globale des efforts de coupe et donc des efforts générés sur les pièces. Cette amélioration des conditions de frottement permet de s’affranchir de l’utilisation de lubrifiant, et donc pouvoir réaliser des usinages à sec, rentrant ainsi dans la famille des « éco-procédés ». Il est aussi notable, une amélioration des états de surface et des spécifications géométriques avec une coupe plus propre, comprendre sans arrachement de matière, dû entre autre à la diminution, voire la disparition de phénomène d’arrête rapportée.

Les objectifs sont :
  • de réaliser un outil vibratoire ultrasonique pour le procédé de perçage
  • et d’étudier par une approche mixte, expérimentale et modélisation, la physique contrôlant les phénomènes, seront particulièrement explorés les problématique liées à la température et l’usure des outils avec l’utilisation de cette technique.
Thermomécanique des interfaces de contact et application aux procédés
Dans les procédés de fabrication, la qualité des surfaces réalisées et les conditions de contact aux interfaces outil-matière (tenue des outils) sont intiment liées au type de procédé et aux conditions de fabrication.

Les spécificités de chaque procédé induisent des complexités supplémentaires dans la compréhension des mécanismes physiques qui gouvernent les conditions de contact aux intéraface outil-matière et leurs interactions avec le procédé et la tenue de l’outil. Afin d’affiner les modélisations des procédés, il est important développer une recherche fondamentale et appliquée portant sur les points suivants:

  • Loi transitoire de partage de flux de chaleur généré par frottement sec. L’aspect transitoire est important pour plusieurs procédés comme le perçage, l’usinage discontinu et le soudage FSW (phase de mise en chauffe).
  • Dynamique des interactions entre la loi de frottement, la loi de partage de flux de chaleur et le cisaillement en sous-couche
  • Aspect collant-glissant du contact et relation entre frottement local et frottement apparent
  • Tribologie, tenue des revêtements et usure
  • Mesures de température de contact : thermographie, capteurs...
  • Intégrité des surfaces
  • L’application aux procédés représente un large champ d’investigations. Les résultats des études fondamentales permettent de mettre en avant l’importance de cette problématique dans la simulation des procédés de fabrication et d’assemblage. Ils permettent également de mettre en place des stratégies de modélisation et de simulation spécifiques au procédé étudié:
  • L’usinage: tournage, fraisage et perçage
  • Le soudage par friction et malaxage (FSW)
Les problématiques liées l’étude des relations ‘Interfaces de contact - Procédés’ sont nombreuses. A titre d’exemple, on peut citer les études suivantes :
Interaction entre les conditions de contact à l'interface
Un exemple d’application de cette thématique est la mise en place d’un modèle hybride ‘‘Analytique-Eléments Finis’’ pour modéliser le caractère collant-glissant du contact outil-copeau et son interaction avec le processus de formation du copeau. Ce travail a été réalisé dans le cadre de la thèse de Slim Bahi soutenue en 2010 pour une opération élémentaire de coupe orthogonale en collaboration avec l’INSIC de St Die des Vosges et l'ENSAM de Châlons-en-Champagne. Ce travail sera poursuivi en appliquant cette approche aux opérations industrielles en prenant en compte les spécificités de chaque procédé.
Mesure des températures et suivi des outils de coupe
La compréhension des phénomènes thermiques et la détermination des champs de températures dans les zones affectées par l’usinage correspondent à des études de recherche porteuses. Elles forment une étape essentielle dans la modélisation des procédés d’usinage et sont des problématiques industrielles significatives. En effet, les phénomènes thermiques ont des conséquences directes sur la durée de vie des outils et l’intégrité des surfaces usinées.

Dan le cadre de ce projet (PRES Lorrain dans le cadre de l’Appel à Projet Maturation 2011), nous avons proposé un système permettant d’évaluer directement les températures de la pointe du foret et ceci au cours du perçage. Ce dispositif consiste en la réalisation d’une jonction chaude d’un thermocouple formé par deux matériaux distincts : le matériau du foret, d’une part, et le matériau d’une couche mince isolée et insérée dans l’éprouvette d’essai, d’autre part. La méthode de mesure permet d’obtenir la répartition de la température le long des arêtes de coupe d’un foret. Ainsi elle permet la comparaison de différentes géométries de foret, l’étude de l’influence des revêtements et plus généralement des conditions de coupe. Les résultats obtenus sont utiles pour la validation des modèles thermiques du perçage. Enfin, la solution proposée est relativement peu coûteuse en termes de préparation des éprouvettes et de traitement des signaux obtenus. L’amélioration des capteurs développés et la recherche d’applications et de partenaires industriels sont au programme pour la suite de ce projet.

La mesure de température par thermographie infrarouge permet de réaliser la mesure d’un champ de température dans des zones précises et avec des précisions que les méthodes traditionnelles ne permettent pas d’atteindre. Dans le cadre de ces travaux l’opération de coupe orthogonale a été étudiée en détail. Les images obtenues, avec la caméra de thermographie FLIR SC7000, ont permis de nous renseigner sur l’évolution de la température de coupe en fonction des conditions d’usinage. Ce travail sera poursuivi en utilisant cette technique. Elle servira comme méthode indirecte pour mesurer des grandeurs mécaniques comme la longueur de contact outil/pièce ou l’angle de cisaillement primaire inaccessible jusque là en ligne. Mais surtout de donner la distribution de température dans l’outil, dans le copeau. Avec la mise en corrélation avec des modèles analytiques simples, cette mesure du champ des températures permet même de remonter à des informations très difficilement mesurables comme des coefficients de partage de température à une interface.
Procédé de soudage par friction et malaxage FSW
Le soudage par frottement et malaxage (Friction Stir Welding: FSW) a été développé dans les années 90 par TWI (The Welding Institute, Cambridge, UK) afin d’assembler les alliages d’aluminium (séries 2000, 6000 et 7000) difficilement soudables par les procédés classiques de soudage : TIG (Tungstene Inert Gas), faisceau laser,…etc. Compte tenu des avantages du procédé FSW, différentes applications industrielles visant des allégements de structures non négligeables ont été mises en place dans le domaine des transports.

L’étude du procédé FSW apparaît actuellement comme un domaine de recherche à la fois ouvert et complexe. La compréhension des mécanismes mis en jeu nécessite une approche inter et multidisciplinaire originale alliant la modélisation et l’expérimentation. La mise en place d’une stratégie permettant l’optimisation des paramètres de soudage nécessite le développement d’un modèle prédictif. Il est donc fondamentale d’avoir une meilleure compréhension du couplage entre les paramètres de soudage et plusieurs phénomènes physiques non seulement mal connus mais aussi difficiles à modéliser et à simuler: transferts de chaleur dans le système outil-tôle-machine-milieu environnant, nature du contact entre l’outil et la matière, description d’un système muliti-phasique, écoulement de la matière autour de l’outil (malaxage)…etc.

Afin de prendre en compte le caractère multi-échelle du procédé FSW et de répondre à l’exigence d’efficacité (développement d’un outil de simulation exploitable au niveau industriel), on propose la mise en place d’une approche basée sur le couplage de modèles Analytique-Eléments Finis-SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics).

Collaboration: Equipe MéNu, Institut de Soudure