Piloter les microstructures via des jumeaux numériques : un défi scientifique
Piloter les microstructures via des jumeaux numériques : un défi scientifique
Un jumeau numérique capable de prédire et contrôler la formation des microstructures d'un matériau… Ce défi de taille est au cœur de deux projets scientifiques auxquels participe Christophe Tournier, professeur à l'ENS Paris- Saclay et chercheur au laboratoire LURPA. Retour avec lui sur les avancées dans ce domaine.
«Le concept de microstructure désigne la conformation d'ensemble d'une particule de matière, dont l'orientation est, en première approximation, homogène, au regard de sa composition et de l'arrangement de ses composants […]. La microstructure se caractérise par la forme, la taille, les proportions et la texture des phases», définissent les scientifiques W. Schatt et Worch en 1996. Il s'agit donc de «l'arrangement» microscopique des éléments qui constituent un matériau. Le grain, la géométrie, ou encore l'orientation des particules peuvent ainsi varier.
Cet agencement peut être influencé par différents critères lors de la fabrication d'un matériau, et cela impacte les propriétés mécaniques et physiques finales d'une pièce. L'optimisation de ces microstructures est donc un enjeu de taille. Christophe Tournier, professeur à l'ENS Paris-Saclay, travaille sur deux projets différents qui touchent de près à cette question : le projet MIFASOL (1), et le projet COLUMBO (2). «L'objectif du projet MIFASOL était de pouvoir générer à la demande des microstructures de matériaux en fabrication additive. Aujourd'hui, il est possible de spécifier la géométrie des pièces que l'on veut obtenir, mais jamais la microstructure. Or en fabrication additive, nous pourrions modifier la microstructure même».
Ombre numérique
En créant un jumeau numérique de ces microstructures, il serait possible de faire des simulations pour déterminer les paramètres de fabrication à appliquer pour obtenir une microstructure cible. Dans le cas du projet MIFASOL, « nous parlons plutôt d'ombre numérique », estime Christophe Tournier. Un simulateur de microstructures a bien été mis en place, mais il n'est pas directement relié à l'objet réel. Dans le cas du projet COLUMBO, des données de capteurs, répercutées sur le jumeau numérique, sont bien présentes.
Dans les deux cas, la question du contrôle de la fabrication des microstructures comporte des défis que les scientifiques doivent encore surmonter. «Dans le projet MIFASOL aujourd'hui on n'est pas capable d'évaluer la microstructure pour ensuite la modifier en temps réel, ce qui serait l'intérêt d'avoir un jumeau numérique. Nous pensions avoir plus de leviers d'actions. En modifiant certains paramètres, notamment cinématiques, nous nous sommes aperçus que les microstructures n'y étaient pas aussi sensibles que ce que nous pensions.» De l'autre côté, les scientifiques sont bien capables de modifier la microstructure en utilisant une méthode dite de « refroidissement actif », qui consiste à diriger le gaz d’inertage, laser éteint, sur la couche précédente.
Cette difficulté de mesure des microstructures s'applique également au projet Columbo. «Nous voulons faire du contrôle commande en temps réel: récupérer les données de capteurs, les traiter et les réinjecter dans la commande du robot pour pouvoir modifier les paramètres.» Grâce à des ondes ultrasonores, les scientifiques parviennent aujourd'hui à analyser les microstructures. «Mais la difficulté est de pouvoir avoir la donnée suffisamment rapidement pour la transmettre au jumeau numérique et effectuer les ajustements en temps réel», tempère le chercheur. En effet, il faut pour cela amener le capteur au plus près de la pièce, sans pour autant perturber le procédé de fabrication.
(1) Microstructure à la demande en fabrication additive par une synergie entre commande, mesures et simulations (ANR-20-CE10-0009)
(2) Caractérisation et contrôlabilité multi-échelles par ultrasons-laser des composants WLAM : vers une surveillance en ligne basée sur la physique et augmentée par l'apprentissage automatique (ANR-21-CE08-0026)
