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DÉVELOPPEMENT D'UN MODÈLE HYBRIDE POUR LA MODÉLISATION ET LA CARACTÉRISATION DES REVÊTEMENTS LORS D’OPÉRATIONS D'USINAGE

Doctorant : Issam BENCHEIKH

Démarrage : Octobre 2014

Lors d’une opération d’usinage, les outils de coupe sont soumis à des sollicitations thermomécaniques extrêmes. Pour améliorer leur comportement et ainsi augmenter leur durée de vie, celles-ci sont souvent revêtues d’une ou de plusieurs couches de revêtements, chaque couche jouant un rôle particulier. Un axe de recherche du LabCom LARIOPAC vise plus particulièrement la levée de deux verrous scientifiques associés à la compréhension du comportement des revêtements et de leurs modes de dégradation :

- la caractérisation des propriétés thermomécaniques des revêtements mono- ou multicouches. Celle-ci s'appuiera sur la mise en place d'un protocole d'essai expérimental original;
- la modélisation numérique du comportement des outillages revêtus sous conditions extrêmes. Cette approche visera la mise en place de modèles hybrides multi-échelles répercutant sur le comportement global de l'outillage une analyse fine locale intégrant une modélisation des modes de dégradation. En outre, l'implémentation de telles loi d'usure s'appuiera sur une analyse préalable in-situ de ces modes par le biais des outils de caractérisation du laboratoire.

Dans un contexte plus général, un grand nombre d'applications industrielles requièrent l'intégration de couches minces au sein de structures (soudure, brasure, collage, revêtements,...), et nécessitent ainsi une modélisation fine de leur comportement hétérogène. Dans cet objectif, un nouveau modèle hybride, couplant l'approche théorique des développements asymptotiques raccordés et la méthode numérique des éléments finis étendus (X-FEM), a été introduit pour décrire le comportement thermomécanique de ce type de structures, garantissant la précision des résultats sans raffinement particulier du maillage inhérent à une discrétisation classique.
En se concentrant au contexte de recherche décrit plus haut, l'objectif de la thèse est d'étendre les développements ci-dessus aux cas des revêtements pour une application dans un premier temps aux outillages revêtus dans les procédés d'usinage. Il s'agira ainsi d'adapter à la fois l'approche théorique et le modèle numérique à ces situations particulières, en prenant en compte les conditions de chargement auxquels sont soumis ces revêtements, leur composition hétérogène, ainsi que leur description géométrique (courbure des bords). La méthodologie numérique introduite devra permettre de simuler le comportement linéaire et non linéaire, alors que le modèle hybride devra permettre la description d'un protocole expérimental efficient pour la caractérisation thermique des revêtements.

Dans un second temps, les modèles théoriques (analytiques, numériques et hybrides) robustes et fiables attendus à l'issue de la première phase devront servir d’outils de prédiction et de prise de décision comme consignes de contrôle du procédé. En effet, l’intelligence des outils développés devra se manifester dans l’autogestion de leur comportement face à la dégradation des conditions de contact avec la pièce afin d’augmenter leur durée de vie et leur productivité. Ainsi, au cours de l’opération d’usinage, des données seront relevées, analysées, et confrontées ensuite aux modèles développés et intégrés. Dès l’observation d’un écart des données avec les modèles, des décisions seront alors immédiatement prises pour orienter le réglage des conditions de coupe et changer ainsi le comportement de l’outil face à l’usure.

 

ANALYSE EXPÉRIMENTALE ET NUMÉRIQUE DU COMPORTEMENT À L'USURE DES OUTILS EN USINAGE DES
COMPOSITES EN NID D’ABEILLE

Doctorant : Mohamed JAAFAR

Démarrage : Octobre 2014

Depuis plusieurs années maintenant, les matériaux composites occupent une part importante dans la réalisation de structures destinées au transport (aérien, naval, automobile, …). Dans le domaine aéronautique par exemple, la part des composites à matrice polymère et fibres longues (de carbone ou de verre) représente aujourd’hui 15 à 20% en masse de la structure des avions fabriqués par Airbus. En comparaison avec les alliages métalliques, les matériaux composites présentent un meilleur rapport masse-rigidité-résistance et une faible sensibilité à la fatigue et à la corrosion.
D’autre part, les structures dites « sandwiches » et particulièrement les structures avec un cœur en « nid d’abeilles » occupent un large créneau de la construction des pièces composites. Le nid d'abeille est un matériau de structure alvéolaire résistant à la compression et très léger. Il est principalement utilisé comme âme de sandwich composite. L’enjeu de l’introduction de ces nouveaux matériaux est la recherche de gain de poids permettant l’amélioration des performances et la maîtrise des coûts de fabrication. Pour l’environnement, le gain de masse va également dans le sens de la réduction des rejets polluants. Cependant, l’hétérogénéité et l’anisotropie des matériaux composites rendent extrêmement difficile la mise en forme des pièces par le procédé d’usinage. En effet, l’usure prématurée et excessive des outils, ainsi que les endommagements induits dans la pièce usinée (délaminage, déchaussement des fibres, brûlure de la matrice, etc.…) limitent davantage l’utilisation de ces matériaux. L’analyse bibliographique a montré que les études antérieures faites dans le domaine de la coupe des métaux ne sont pas extrapolables aux matériaux composites.

L’objectif de la thèse est de mettre en place une approche scientifiquement rigoureuse pour analyser la mise en forme des composites en nid d’abeille par usinage. Et ainsi identifier les mécanismes d’endommagement induit lors de l’usinage. La multitude des paramètres influents, tels que la géométrie de l’outil, les conditions de coupe (vitesse de coupe, profondeur de passe, etc.), les caractéristiques mécaniques des constituants rend l’étude et l’analyse de l’usinage des composites complexes. L’optimisation de ces paramètres via l’approche expérimentale seule nécessite souvent des essais longs et coûteux. La simulation numérique va alors constituer un outil intéressant pour l’analyse de la physique qui gouverne la coupe des composites et la hiérarchisation des paramètres les plus influents. Elle permettra aussi d’appréhender les mécanismes physiques régissant la formation du copeau et de caractériser les différents endommagements induits.

 

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