Les matériaux vivent, leur dynamique au cœur des enjeux de mobilité

Le métal pur n’existe pas. Le fer, l’aluminium, le cuivre, même extraits de Dame Nature, sont constitués aussi d’autres éléments chimiques. Une dizaine, une quinzaine, en fonction du matériau. Alors quand l’industrie joue aux apprentis sorciers et cherche à améliorer les propriétés d’un matériau pour optimiser la résistance, la légèreté ou l’élasticité d’un objet, elle va chercher à influer sur trois ou quatre éléments chimiques de l’alliage pour atteindre un objectif bien précis.

C’est ici qu’une entreprise comme Transvalor entre en scène. La spécialité de l’entreprise est d’accompagner l’industrie - notamment automobile et aéronautique - à mettre en forme les matériaux. En créant et mettant à disposition un laboratoire virtuel à travers ces logiciels, l’entreprise aide des géants tels que Renault, Stellantis, et Safran à choisir les alliages et des procédés optimaux pour leurs pièces en fonction des exigences spécifiques. Quel est le dosage optimum pour une pièce moteur constamment confrontée à de hautes chaleurs ? Quelle est la meilleure combinaison d’alliage pour une pièce qui va être en rotation tout le temps, à un endroit spécifique du moteur ?

L’équation est complexe : un piston doit être résistant mais léger, tandis qu’un vilebrequin doit avoir une surface dure pour minimiser la friction, mais un centre ductile pour résister à l’étirement. Le critère coût est aussi à prendre en compte dans le choix de l’alliage, certains nanogrammes d’éléments chimiques valent en effet leur pesant d’or. Deux comportements sont donc attendus pour le matériau constitutif du vilebrequin de voiture et l’enjeu est de faire la meilleure pioche dans la librairie de matériaux de l’entreprise par rapport aux contraintes exposées en évitant les configurations qui vont mener aux pannes.

La cuisine des matériaux

« Plus il y a de carbone dans un alliage, plus il est dur et donc fragile. Donc concrètement, quand on fait notre cuisine en fonction des caractéristiques souhaitées de la pièce à produire, on va agir sur le dosage d’un élément chimique ciblé (par exemple sur le poids et/ou la concentration du carbone par des traitements thermiques adaptés). »

Comme nous l’explique José Alves, Team Leader & Scientific Developer chez Transvalor, les logiciels de conception vont modéliser l’objet au plus près des conditions du réel en testant plusieurs configurations virtuelles. Le passage à l’étape physique, à savoir la production de l’objet en 3D et sa confrontation avec son milieu d’usage, se fait chez les partenaires qui ont les chaînes de production, donc soit au sein d’un laboratoire de recherche (CEMEF notamment), soit directement sur les machines des clients. L’enjeu au niveau de Transvalor est de s’approcher au plus près des conditions du réel au niveau virtuel pour que les configurations optimales soient mises en production. Ce n’est que cette base physique qui pourra valider ou infirmer la modélisation. Modéliser en 3D reste pour autant indispensable car cela permet des économies non négligeables en permettant de tester virtuellement plusieurs dizaines de configurations sans dépenser de matières premières et en se passant des coûts de recyclage.

Pour José Alves, trois aspects sont toujours à garder en tête : le matériau de l’objet, sa géométrie et son processus de fabrication. « La composition du matériau va nous renseigner sur les caractéristiques et le comportement de l’objet en fonctionnement : sa légèreté, sa dureté, sa réaction aux variations thermiques, sa tenue mécanique, sa durée de vie. Tout ce qui est métallique reste compliqué à former et la dynamique de l’aluminium ou du cuivre reste difficile à prédire car d’infimes variations peuvent entraîner des changements majeurs. Certains clients possèdent déjà leur matériau de production, donc sont déjà contraints par un certain alliage, et nous appellent pour les aider à mettre ce matériau en production. Nous collaborons étroitement avec une société anglaise qui développe une bibliothèque numérique des matériaux permettant à nos clients de tester des nouvelles compositions chimiques rapidement avant même de créer ou acheter un alliage (Sente Software via leur logiciel JMatPro®). »

La géométrie de l’objet est le deuxième élément important car la plupart du temps, la pièce a vocation à être insérée dans un système et il y a donc des contraintes de taille, d’emplacement et d’interactions avec d’autres matériaux qui doivent être prises en compte. Certains clients de l’entreprise demandent de simuler la dynamique du matériau jusqu’à la coulée du métal pour la fabrication de pièce et les étapes de durcissement qui font passer le matériau de l’état liquide à l’état solide. Les logiciels de simulation de mise en forme des matériaux répondent à cette diversité de demandes (FORGE® pour les procédés de forgeage à froid et à chaud du solide, et THERCAST® pour les procédés de coulée continue et fonderie à l’état liquide) et l’entreprise travaille depuis longtemps avec TechSoft 3D (anciennement CEETRON), son voisin de palier, spécialiste de la visualisation 3D des résultats de calcul pour rendre les solutions intelligibles aux techniciens qui les manipulent au quotidien.

Aux caractéristiques chimiques du matériau et à ses dimensions s’ajoute un troisième élément clé, le processus de fabrication, car si virtuellement, un alliage optimum existe toujours pour répondre à un cahier des charges précis, ça ne veut pas forcément dire que sa mise en production va être possible, cela dépend en effet des chaînes de production existantes. On ne peut donc pas tout fabriquer.

L’évolution en cours des chaînes de production industrielle

La réflexion sur l’évolution des chaînes de production industrielle est au cœur des débats actuels sur les transitions en cours. L’envolée des coûts énergétiques et les règlementations sur la maîtrise de l’empreinte carbone invitent aux changements de pratique, et certaines entreprises commencent à faire ce virage. Pour faire fonctionner un four industriel, il faut réaliser dix montées en température à 2 000 degrés, dont chacune consomme dix tonnes de métal. Quand d’autres procédés moins énergivores existent, difficile de continuer à s’accrocher à ces gouffres.

Spécialiste des procédés de traitement des matériaux par électromagnétisme, José Alves est particulièrement sensibilisé à cet aspect. « Réduire la consommation énergétique lors du processus de fabrication est le grand enjeu des années à venir et tout l’écosystème industriel aujourd’hui est en mouvement pour négocier ce virage de sobriété. Les procédés de chauffe par induction permettent de chauffer plus vite et de façon plus écologique. » Bien sûr, ce n’est pas neutre financièrement. D’une part, il y a le coût de remplacement des machines pour adapter la chaîne de production à la nouvelle technologie de chauffe pour les traitements thermiques, d’autre part il y a le coût du recyclage du parc existant car il faut bien démonter ou réorienter vers d’autres usages. L’entreprise annécienne NTN SNR, client historique de Transvalor et l’un des spécialistes mondiaux de la production de roulement, a néanmoins pris ce virage du procédé de chauffe par induction électromagnétique pour ses chaînes de production. À noter également que les méthodes récentes de production par fonderie sous haute pression permettent de réduire le nombre de pièces par deux dans un véhicule avec un gain immédiat de poids et donc de consommation en énergie.

La recherche au service de l’industrie et l’inverse

Créé il y a 40 ans, Transvalor est issu de l’école des Mines. Historiquement ancrée dans le couplage recherche-industrie, l’entreprise est récemment encore allée plus loin sur ce volet en créant une chaire d’IA avec CentraleSupélec. Cette alliance n’est pas éloignée des racines minérales - l’actuel directeur de CentraleSupélec, Romain Soubeyran, est l’ancien directeur des Mines, la plupart des talents qui composent l’équipe Développement sont Mineurs et les liens restent très forts avec le Centre des mises en forme de matériaux (CEMEF) installé sur Sophia. En plus de ces liens historiques, Transvalor étend sa collaboration en travaillant main dans la main avec TechSoft 3D. Ces alliances stratégiques enrichissent le savoir-faire de Transvalor et renforcent l’intégration réussie de l’IA dans ses processus.

Un intérêt évident porte sur l’accélération des processus de décision. José Alves l’explique ainsi : « Il peut arriver que l’étape de simulation soit très longue, beaucoup plus longue que le processus de fabrication. Quand un traitement thermique au réel ne prend que quelques secondes, la fourchette d’ordre de grandeur d’une simulation se situe entre quelques heures et plusieurs semaines. Ça peut devenir rédhibitoire pour un industriel. » Accélérer les temps de calcul est donc un enjeu important, ce que va permettre l’IA. Les algorithmes actuels sont basés sur une approche déterministe, intégrer une dose de deep learning va permettre d’aller plus vite et de coupler la robustesse et la fiabilité des solutions actuelles avec la rapidité d’une approche basée sur l’IA.

Un deuxième intérêt porte sur l’exploitation des bases de données. Point de BigData pour Transvalor mais plutôt une optimisation du traitement des SmallData avec un objectif de contextualisation accrue du comportement du matériau dans son environnement physique.

Vers une anthropologie de la matière en somme. Comme quoi les sciences molles sont indispensables à la compréhension fine du monde, même dans l’industrie.