Multimatériaux : les promesses des poudres

- Impliquant douze partenaires, le projet GPP Multimat a pour but de développer des pièces bimatériaux à partir de poudres, et les biens d'équipement pour leur production.
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La matière noble au bon endroit et une utilisation de la juste quantité de matière. Voilà le Graal de tout concepteur et l'immense intérêt de fabriquer directement plutôt que d'assembler des pièces composées de plusieurs matériaux. Car de là découlent des gains non seulement en coûts de matières et en poids - il n'y a plus de vis ni de colle notamment - mais également en robustesse. L'absence de points d'assemblage supprime des zones qui comptent parmi les plus fragiles d'une pièce !

Pour relever ce défi, six industriels, trois écoles d'ingénieurs et deux centres techniques se sont associés au sein du projet GPP Multimat (Grand projet poudre, ingénierie et industrialisation de composants multimatériaux et multifonctions). Piloté par le Cetim, ce projet, d'une durée de trois ans, a officiellement été lancé en décembre dernier avec un budget de 2 323 000 euros.

Compactage puissant et usinage "à vert"

L'idée est de construire une pièce à partir de poudres plutôt que d'enlever de la matière. « Nous nous concentrons essentiellement sur la conception et la mise en forme des pièces bimatériaux, en métaux (aciers ou superalliages), céramiques ou carbure de tungstène, selon deux procédés innovants à base de poudres : le compactage à grande vitesse (CGV) associé à de l'usinage à vert puis à du frittage, et le frittage par fusion laser », explique Ludovic Lazzarotto, pilote du projet au sein du Cetim.

L'aspect novateur du premier procédé réside dans l'association du compactage à grande vitesse et de l'usinage à vert. La poudre est comprimée par un impact tel que le tas aggloméré à la forme de l'objet est suffisamment dense et solide pour être manipulé et usiné directement avant l'opération de frittage (cuisson). Cette dernière opération confère à la pièce ses caractéristiques mécaniques finales dont sa dureté. Cet usinage dit "à vert" permet d'obtenir des formes irréalisables lors de l'étape de compression comme des gorges, des rainures, des voiles minces ou encore des taraudages. Ce procédé permet de plus de réaliser des pièces dans des matériaux difficiles à usiner comme les aciers à outils ou certains alliages à base de cobalt ou de nickel, voire inusinables comme les carbures de tungstène et les céramiques.

La fusion laser bute sur les pièces multimatières

Dérivé des méthodes de prototypage rapide, le deuxième procédé à l'étude, la fabrication directe par fusion laser, consiste à élaborer directement la pièce couche par couche. Chaque couche de poudre étant balayé par un faisceau laser qui fond localement la matière qui se solidifie instantanément. « Ce procédé est un peu plus avancé dans le sens où l'on sait aujourd'hui fabriquer des pièces selon ce mode, à ceci près qu'on ne sait le faire qu'avec une seule matière à la fois », précise Ludovic Lazzarotto. Il met ainsi en lumière la difficulté technologique majeure du projet : les systèmes de distribution multimatières ! Il s'agira de distribuer la bonne matière au bon endroit, notamment de façon concentrique.

Pour le procédé fusion laser, c'est la société Phenix Systems qui a la charge de développer une machine automatisée. Celle-ci devra être capable de gérer deux à trois matières à la fois et d'adapter les paramètres, comme la vitesse et la puissance du laser afin d'obtenir une fusion optimale selon la matière en tout point de la surface. Le dispositif de distribution des matières, dédié au procédé par compactage des poudres, sera quant à lui mis au point par la société Mecaconcept.

Au final donc, deux technologies de machines seront développées. Les travaux seront menés jusqu'à la réalisation de prototypes industriels.

Pour l'heure, l'équipe travaille à établir une base de connaissances scientifiques, techniques et économiques sur des couples matériaux-procédés.

À terme, une unité de production mutualisée

Cette phase d'un an et demi, principalement conduite par les écoles d'ingénieurs (cinq doctorants), est primordiale. Elle doit également aboutir aux cahiers des charges des machines et des pièces envisagées par les partenaires industriels. « L'objectif est de pouvoir dire à mi-projet, avec tel procédé, nous savons travailler les matières A et B pour obtenir les caractéristiques mécaniques X », souligne l'expert du Cetim. Ce qui est loin d'être facile. Beaucoup de questions se posent comme celles sur les variations dimensionnelles lorsque la pièce bimatériaux passe au four. « Il nous faut donc développer des compétences en conception. Peut-être faudra-t-il fabriquer des pièces initialement déformées pour compenser ces variations dimensionnelles. » Les scientifiques devront aussi faire la lumière sur ce qui se passe à l'interface des différents matériaux au cours du frittage. Y a-t-il diffusion par exemple ?

Si le projet s'attache à concevoir des pièces bimatériaux, les recherches prévoient d'ores et déjà d'aller au-delà vers l'association de trois voire quatre matières. Le chiffre trois est important, car il correspond notamment au cas où une couche de transition à l'interface pourrait être nécessaire pour assurer l'adhésion.

« Au bout des trois ans, nous devrions pouvoir statuer sur la faisabilité technique et économique pour chacune des cinq applications proposées par les industriels associés au projet ainsi que sur la pertinence d'implanter une unité de production mutualisée qui pourrait être accueillie au sein du pôle ViaMéca », conclut Ludovic Lazzarotto.

Un projet ambitieux donc, dont l'intérêt est à la hauteur des défis scientifiques et technologiques qui le sous-tendent !

LE GPP MULTIMAT

Douze partenaires Deux centres techniques - Le Cetim - Le Pôle européen de plasturgie Trois écoles d'ingénieurs - L'École nationale d'ingénieurs de Saint-Étienne (Enise) - L'École nationale supérieure des mines de Saint-Étienne (ENSMSE) - L'Institut national polytechnique de Grenoble (INPG) Six industriels - André Laurent, Clextral, Idestyle, Mecaconcept, Phenix Systems, Siemens Une agence régionale - L'Agence Rhône-Alpes pour la maîtrise des matériaux (Aramm)

DEUX PROCÉDÉS EN LICE

1. Le compactage à grande vitesse (CGV) associé à de l'usinage à vert puis à du frittage. Il comporte 4 étapes : - La poudre est déposée en couches successives ; - Elle est ensuite comprimée par un impact (pouvant délivrer une énergie de 20 000 joules en quelques millisecondes) tel que le tas aggloméré résultant soit suffisamment dense (95 % de la densité théorique) et solide pour être manipulé et usiné directement ; - Les opérations d'usinage complètent la mise en forme et permettent d'obtenir des formes irréalisables lors de l'étape de compression (gorges, rainures, voiles minces, taraudages) ; - Le frittage (cuisson) achève la fabrication en conférant à la pièce ses caractéristiques mécaniques finales dont sa densité complète et sa dureté. 2. La fabrication directe par fusion laser consiste en une répétition d'opérations quasi simultanées : - La poudre est déposée en couche puis balayée par un faisceau laser qui fond localement la matière avant qu'elle ne se resolidifie. Ces opérations se répètent jusqu'à complète fabrication de la pièce.

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