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Les technologies clés
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Logiciels de modélisation
complète des matériaux et des procédés de mise en
oeuvre
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Fiche Technologie-clé n : 87
VERSION 3
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Définitions
des pièces, définir les appareillages nécessaires à
leur mise en oeuvre et déterminer les paramètres du
procédé, on a recourt à des logiciels de
modélisation qui permettent :
- de vérifier l'adéquation des moyens
(matériau, procédé, machines de transformation, moules,
etc.) au but poursuivi,
- et d'évaluer les caractéristiques des
pièces en fonctionnement. On peut ainsi éviter des essais dont la
réalisation serait trop longue ou trop coûteuse.
Techniques mises en oeuvre
de nombreux
logiciels de simulation sont basés sur la méthode des
éléments finis (MEF). Un post-processeur permet de transformer
les résultats obtenus dans des grandeurs significatives pour un
métier donné. Certains logiciels d'analyse d'écoulement
pour l'injection plastique intègrent dans un même produit
différents modules : analyse d'écoulement par
éléments finis et par différences finies ; analyse
thermique ; analyse de remplissage par éléments finis 3D
analytiques ; et analyse d'écoulement interactive 2D.
Contexte concurrentiel et économique
les logiciels de modélisation des
matériaux et des procédés sont répandus pour les
métaux ; ils sont beaucoup plus récents et en pleine
évolution pour les plastiques, surtout pour le moulage par injection.
Dans ce domaine, les concepteurs gagnent un temps précieux et
réduisent les coûts en simulant le procédé avant de
prendre les décisions de conception finales et de fabriquer l'outil. Les
enjeux de l'utilisation de logiciels d'analyse pour la production de
pièces injectées sont l'optimisation de la structure du produit,
l'optimisation du moule et du procédé de fabrication, le passage
plus souple à l'outillage de production de grandes séries et la
réduction du temps de mise sur le marché.
Fonctions remplies :
les logiciels
permettent de détecter la meilleure solution au meilleur coût en
optimisant le dimensionnement des structures et la création des
outillages. Le logiciel fournit une aide précieuse aux ingénieurs
de fabrication par injection en analysant la température, la pression et
d'autres éléments pour créer un moule qui produira une
pièce structurellement sans défauts et de géométrie
parfaite.
Technologies concurrentes :
sont
complémentaires à l'utilisation des logiciels :
l'expérience et les connaissances pratiques des concepteurs ; la
confrontation à des études de cas concrets ; les ouvrages de
méthodologie de sélection spécialisés par type de
problème (ex. choix de traitements superficiels, optimisation du choix
de matériaux...), qui permettent de suivre une démarche
rigoureuse mais demandent en général beaucoup de temps et sont
moins maniables que les outils informatiques.
Evolutions technologiques :
Au cours des
dernières années, la modélisation des matériaux est
progressivement passée du 2D au 3D, ce qui permet un calcul "dans la
masse". En outre, on tient de plus en plus compte des paramètres de mise
en oeuvre ; cette intégration est cependant délicate car le
comportement réel des matériaux en fonction des techniques de
transformation n'est pas toujours bien connu, en particulier pour les
plastiques techniques, malgré les grands progrès
réalisés en rhéologie (étude des
écoulements).
Programmes de recherche :
En Allemagne, le
thème "Modélisation et simulation assistées par ordinateur
pour l'analyse, la synthèse et la conduite de procédés
techniques" est un des 19 nouveaux domaines de recherche spéciaux des
sciences de l'ingénieur de l'Association de la Recherche Allemande
(DFG). Dans tous les pays industrialisés, un intense effort de
simulation numérique est consenti en science des matériaux depuis
quelques années.
Au niveau de la recherche fondamentale, des recherches sont en
cours sur la simulation atomique pour la conception de matériaux au
Beckman Institute du Caltech du California Institute of Technology
(Etats-Unis). L'objectif de ses recherches est de développer des
méthodologies théoriques utiles à la conception de
procédés industriels de fabrication de nouveaux matériaux.
Certaines de ces méthodologies présentent de gros avantages pour
les polymères : prédiction de la température de transition
vitreuse des nouveaux polymères (co-polymères, mélanges et
alliages, réticulations...), qui permet de moduler cette
propriété en fonction des applications souhaitées et
d'éviter de nombreux essais empiriques et coûteux.
Au Canada, la Manufacturing Research Corporation of Ontario
développe des logiciels de simulation de différents
procédés de plasturgie en s'appuyant sur des logiciels tels que
Extrucad, Formcad, Layercad, Coexcad, etc.
En France, le CEA a depuis plus de 25 ans maintenu un effort
systématique en modélisation des matériaux, avec des
contributions importantes en particulier pour le nucléaire.
Matériaux