ALS - Magazine 6 - Septembre 2017

ALS Mag / 19 ALS MAG ALLÈGEMENT DES STRUCTURES Diminuer le poids des structures dans le domaine des transports apporte un gain sensible en termes d’économie d’énergie. Il existe plusieurs solutions pour réduire ce poids. La première, et la plus évidente, consiste à substituer un matériau par un autre plus léger. Cette solution, simple en apparence, peut cependant impliquer de profondes modifications dans les moyens à mettre en œuvre pour la production (passage d’une solution métal à une solution composite par exemple) et avoir des répercussions en termes de tenue en service. Une seconde solution consiste à conserver le matériau initial en augmentant sa résistance mécanique grâce à une optimisation de sa microstructure. Cette seconde solution réduit de façon significative l’épaisseur des éléments de structure et donc leur poids pour un même chargement mécanique. Elle impacte également les procédés de mise en œuvre et la tenue en service. Il devient, par exemple, nécessaire de prendre en compte l’effet de la réduction de l’épaisseur sur la résistance au flambage de la structure. Pour les deux solutions, l’identification des mécanismes élémentaires de déformation ou d’endommagement ainsi que la compréhension des relations intervenant entre la microstructure d’une part, et les propriétés de mise en forme et d’usage des matériaux, d’autre part, sont impératives. Cette thématique est très présente en Lorraine. Le Laboratoire d’Excellence DAMAS (Design des Alliages Métalliques pour Allègement des Structures), porté par l’Université de Lorraine et soutenu par le CNRS, a été constitué en 2012 pour développer une recherche fonda- mentale de haut niveau en associant les forces de recherche en métallurgie du Laboratoire d’Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (LEM3) à Metz et du Département SI2M (Science et Ingénierie des Matériaux et Métallurgie) de l’Institut Jean Lamour (IJL) à Nancy. Les travaux portent sur les relations entre les procédés de fabrication et la genèse des microstructures, les propriétés mécaniques des matériaux et des structures et le développement des approches de modélisation multiéchelle. L’Institut de Recherche Technologique M2P (Matériaux, Métallurgie, Procédés) constitué en Lorraine en 2013 s’attache lui aussi à améliorer les propriétés mécaniques des produits par la conception et le contrôle des microstructures dans l’objectif de faciliter le transfert vers l’industrie de procédés innovants pour les métaux et les composites à matrice organique. Matériaux composites Sous l’impact des règlementations environnemen- tales, l’industrie automobile emploie des composites thermoplastiques pour un nombre croissant de composants. Il s’agit principalement de composites à fibres courtes, utilisés pour leur relative facilité de mise en œuvre par injection. Les matrices polyamides, bénéficiant d’un ratio performance/coût favorable, sont largement utilisées. Le comportement mécanique de ces composites dépend fortement de l’état microstruc- tural (distribution et orientation des fibres) induit par le procédé de fabrication (Figure 1) et l’ensemble de la chaine procédé-microstructure- propriétés-tenue en service doit être prise en compte pour s’assurer de la performance de la solution matériau retenue. Trois mécanismes différents contrôlent l’endommagement dans les composites : la décohésion interfaciale fibre/ matrice, la rupture des fibres et la microfissuration de la matrice. A cela s’ajoute la sensibilité de la matrice aux conditions environnementales (humidité, température, fréquence de sollicitation). Il est de ce fait très difficile d’estimer la tenue en service pour un composant donné et cette absence d’outils de design prédictifs limite l’usage de ces composites pour la réalisation de pièces de structure. L’utilisation des techniques de simulation multi-échelle et leur intégration dans le processus de conception des composants deviennent dès lors essentielles pour prendre en compte la complexité de la microstructure. Des projets ambitieux, comme le projet FUI DURAFIP porté par Solvay et auquel contribue le LEM3, s’attachent à lever les verrous scientifi- ques pour parvenir à un tel développement (Figure 2). L’utilisation de composites à fibres longues dans des applications pour l’automobile doit en plus faire face à des problèmes de mise en œuvre, les procédés utilisés étant pour la plupart manuels ou semi-automatisés. L’IRT M2P a récemment mis en service sa plateforme technologique Fast RTM et réalisé pour le secteur automobile la première démonstration de fabrication haute cadence d’une pièce composite de grande dimension. Cette plateforme s’est vu attribuer le Jec Innovation Award 2017 dans la catégorie process, une distinction qui récompense les avancées les plus marquantes dans le domaine des composites. Alliages légers Remplacer l’acier ou la fonte par un alliage léger conduit également à devoir lever de nombreux verrous scientifiques et technologiques. L’utili- sation du magnésium en fournit un bon exemple. En raison de sa densité environ quatre fois inférieure à celle de l’acier, ce matériau présente un large champ d’applications potentielles pour l’automobile et l’aéronautique. Cependant, l’utili- sation des alliages de magnésium reste cantonnée à la réalisation de pièces moulées. La faible ductilité présentée par ces alliages à température ambiante rend peu attractive leur utilisation pour la fabri- cation de pièces par des procédés de formage à froid, domaine où se situe la majeure partie des applications potentielles. Paradoxalement, la défor- Figure 2 : Simulation numérique de l’endommagement et du transfert de charge dans un composite particulaire 1 . Figure 1 : Observation par microtomographie de l’évolution de la microstructure 3D dans un composite PA66 à fibres courtes (source LEM3-Metz).