LE CENTRE DE MISE EN FORME DES MATÉRIAUX

Auteur : ELISABETH MASSONI

Le CEMEF fait partie du Département Mécanique Numérique et Matériaux de MINES ParisTech. Il rassemble 136 personnes, dont 34 enseignants-chercheurs, 24 ingénieurs techniciens et administratifs, 56 doctorants (dont 13 CIFRE) et 22 post-doctorants et mastères spécialisés.

Structure de solidification d’un mélange zircone- alumine-silice dans le voisinage d’une crique à chaud, avec mise en évidence d’une structure dendritique grossière composée de zircone (régions blanches), une structure eutectique fine composée de zircone et de corindon (régions blanche et gris foncé) et un verre (grisclair). Cf. thèse de Tiphaine Houdard.

Unité Mixte de Recherche associée au CNRS, Le CEMEF mène des recherches sur la science des matériaux et des procédés de mise en forme. L’activité scientifique s’organise essentiellement autour d’études expérimentales, de modélisation et de simulation numérique du comportement du matériau au cours de sa transformation.

Depuis ses débuts, le centre a également volontairement mis en place une stratégie multidisciplinaire qui invite à une fertilisation croisée des travaux. Au sein du laboratoire, les équipes de recherche s’intéressent à un large panel de matériaux industriels et au développement de nouveaux matériaux (notamment biosourcés, travaux de l’équipe de Tatiana Budtova, médaille d’argent du CNRS en 2020), et à un nombre de procédés de fabrication toujours grandissant. Elles sont à l’origine du développement de plusieurs logiciels industriels dont FORGE®, un des leaders mondiaux dans son domaine. Les thématiques s’élargissent et incluent le calcul intensif et l’intelligence artificielle. Une des équipes du centre a reçu le prix Joseph Fourier-Atos 2019 de la meilleure équipe nationale en simulation numérique et HPC (High Performance Computing). 

LA FORMATION ET LA RECHERCHE AU CEMEF

L’activité de formation à et par la recherche est un axe fort du centre. Le CEMEF a formé depuis ses débuts plus de 500 doctorants. Actuellement deux spécialités doctorales leur sont proposées : “Mécanique Numérique et Matériaux” et “Mathématiques Numériques, Calcul Intensif et Données”. Le CEMEF a également développé une offre de formation en Mastère Spécialisé et ce sont plusieurs centaines d’étudiants qui sont passés par ce cursus post-gradué.

Aujourd’hui l’offre se décline en deux parcours distincts : “Digital Materials and Advanced Processes Modelling” et “High Performance Computing and Artificial Intelligence” dont l’objectif est d’être au plus près des besoins de compétences des entreprises. Les liens du CEMEF avec le milieu industriel ont toujours été très forts. Sa vocation est d’être au service des problématiques et développements de l’industrie. Ces recherches se font dans le cadre de contrats directs, de projets collaboratifs français et européens, ainsi que de chaires industrielles. Le CEMEF est ainsi partie prenante du développement industriel de technologie de pointe et intervient auprès d’AIRBUS pour le développement de l’avion Zéro Émission. Cinq chaires industrielles ont été initiées et pilotées par des chercheurs du CEMEF, quatre financées dans le cadre de l’appel “chaires industrielles” de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR). Actuellement, il y a deux chaires industrielles actives cofinancées par l’ANR, Topaze – avec SAFRAN et l’Institut P’ – et Infinity, qui regroupe douze partenaires industriels.

TÉMOIGNAGE DE TIPHAINE HOUDARD (DOCT P19)

LA SOLIDIFICATION DE CÉRAMIQUES RÉFRACTAIRES ÉLECTRO-FONDUES EN ALUMINE-ZIRCONE-SILICE

Quel a été le sujet de ta thèse?

Ma thèse porte sur la prédiction de défauts formés dans des blocs en céramiques produits par Saint-Gobain SEFPRO par électro-fusion, c’est-à-dire par un procédé de fonderie. Les céramiques étudiées couvrent la partie inférieure de la paroi latérale des fours verriers (en orange sur l’illustration du four verrier). Il existe des logiciels de simulation pour prédire la formation de défauts de fonderie tels que les criques à chaud (fissures), la retassure de la masselotte (porosité dans la partie supérieure des blocs coulés) ou encore les variations de composition chimique (macro-ségrégation). Mais ces logiciels sont développés pour des produits métallurgiques. L’objectif de la thèse est d’adapter aux céramiques le logiciel THERCAST®, commercialisé par TRANSVALOR, et de comparer les simulations aux données expérimentales obtenues sur produits industriels.

Quels résultats as-tu obtenus?

La première partie de ma thèse a été de retrouver les évolutions de températures mesurées par simulation numérique. J’ai ensuite réalisé des observations au microscope électronique à balayage pour caractériser les criques à chaud (en noir sur l’image de la photo 2) qui peuvent se produire sur les angles des blocs coulés. L’optimisation des paramètres thermiques et mécaniques a permis de retrouver par simulation les conclusions empiriques sur leurs formations. Une fois les résultats mécaniques validés, je me suis intéressée à la macro-ségrégation. Pour la caractériser, j’ai effectué une cartographie chimique à l’échelle du bloc. Les simulations ont alors porté sur la mécanique des fluides et le transport des espèces chimiques lors de la solidification des blocs. J’ai alors extrait des bases de données thermodynamiques la masse volumique de chacune des phases selon la température et la composition chimique globale du système. J’ai alors pu coupler les tabulations avec les simulations pour prédire la macro-ségrégation dans tout le bloc et son impact sur la forme de la retassure dans la masselotte.

Quels sont les acteurs concernés par ces résultats?

La finalité de ces simulations est de permettre à Saint-Gobain d’avoir accès, via l’histoire du refroidissement, à la prédiction de défauts et de macroporosités. Il sera alors possible pour les équipes industrielles d’évaluer numériquement l’impact d’une optimisation du procédé ou d’un changement de composition sur la qualité finale du réfractaire. À long terme, cela évitera une stratégie d’essais-erreurs par coulées de blocs électro-fondus, réduisant ainsi les pertes de matières premières, rentabilisant davantage l’énergie utilisée pour le procédé d’électro-fusion, augmentant la qualité et la durée de vie des blocs.

Représentation schématique d’un four verrier montrant les surfaces couvertes de céramiques produites par électro-fusion.