Procédés

Procédés laser

 Responsable : P.Peyre (DR)

Permanents : L.Berthe (CR), F.Coste (IR), C.Dupuy (Ing), R.Fabbro (DR), C.Gorny (AI), M.Nivard (AI), M.Schneider (Ing)  

Doctorants, Post-doctorants, contractuels : M.Gharbi (Doc), M.Müller (Doc), A.Nifa (Doc), S.Pouzet (Doc), R.Mezzari (Doc), Y.Rouchausse (Ing.Contr)

  

 Depuis son invention au début des années 60, et ses premiers développements industriels dans le courant des années 80, le laser est arrivé progressivement à un véritable stade de maturité dans le domaine de la transformation des matériaux. Cet outil unique permet entre autres, et suivant les applications visées, d’enlever de la matière par découpe ou perçage, de souder des épaisseurs jusqu’à plusieurs centimètres, de fabriquer des pièces complexes par fusion de poudre, de durcir ou de texturer les surfaces à l’échelle du micromètre ou du millimètre … La très large palette d’utilisation des lasers est favorisée par une évolution rapide et constante des sources laser qui oblige les utilisateurs à revisiter régulièrement la physique associée et les effets induits. La maîtrise de l’ensemble de ces procédés passe tout d’abord par une compréhension fine des processus physiques complexes mis en jeu dans les différents régimes d’interaction laser-matière, en utilisant à la fois des diagnostics expérimentaux pertinents et variés (caméras grande vitesse, caméra thermique IR, vélocimétrie Doppler, spectroscopie …), et des modélisations ou simulations numériques plus ou moins simplifiées. Dans un second temps, il s’agit de pouvoir caractériser les états résiduels des matériaux : aspect, topographie, microstructure, état mécanique, afin de corréler ces états aux cycles thermiques, thermo-hydrauliques et thermo-mécaniques subis localement par la matière.

    Halle "Procédés laser" du PIMM

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  Le groupe « Procédés laser » du PIMM, issu directement de l’ex-laboratoire LALP et présent sur le site du Centre de Paris des Arts et Métiers depuis Février 2009, a donc tout naturellement une double vocation : (1) comprendre et améliorer la mise en œuvre des procédés laser, (2) maîtriser les effets induits dans la matière, qu’elle soit métallique (la majorité des cas), céramique ou polymère. Tout cela passe nécessairement par l’utilisation de sources laser récentes et appropriées (exemple : laser Nd :YAG à disque de 10 kW acheté début 2009 sur un contrat SESAME) travaillant en régime pulsé ou continu. Au cours de ces dernières années, plusieurs résultats significatifs ont ainsi été obtenus sur l’ensemble des procédés laser étudiés. On peut tout d’abord mentionner la description physique complète de la dynamique du capillaire de vapeur et du bain liquide en soudage laser qui a abouti, par l’intermédiaire de visualisations directes couplées à des modélisations analytiques, à une nouvelle approche des problèmes de soudabilité laser et à un certain nombre de solutions innovantes directement applicables à des cas industriels (élargissement-stabilisation du capillaire par micro-buse de gaz …). Un prolongement direct de ces études concerne actuellement l’optimisation du soudage hybride laser-MIG et celle de la découpe laser forte épaisseur (thèses de E.Leguen et K.Hirano). Parmi les thématiques « historiques » du groupe, l’étude des ondes de chocs-laser est à la fois l’une des plus originales et l’une des plus reconnues dans le monde, que ce soit, pour l’utilisation comme test d’adhérence des revêtements (http://www-lasat.gerailp.fr), pour l’étude du comportement dynamique sous choc des métaux (ANR SIPRODYN, thèse A.Nifa) ou des composites (thèse E.Gay), ou pour l’application au renforcement des matériaux par grenaillage photonique (http://capsul.gerailp.fr/tiki).

      

Alliages d'aluminium traités partiellement ou intégralement par impacts laser de 1.8 mm de diamètre

La possibilité de mettre en œuvre les essais de choc-laser en maîtrisant bien les plasmas et les ondes de choc induites, est un atout certain, fortement renforcé par la richesse des moyens d’expertise matériaux du PIMM. Dans le domaine de la fabrication additive par laser, qui permet de construire des pièces 3D par fusion laser de poudres, nous nous attachons, entre autres aspects, à comprendre l’origine physique des mauvais états de surface obtenus, afin de proposer des solutions pratiques et innovantes ; dans ce domaine, nous collaborons avec un laboratoire de simulation numérique (LIMATB-UBS), sur le calcul des zones fondues et de leur stabilité dimensionnelle (ANR ASPECT, thèse M.Gharbi). L’élaboration de matériaux à gradients, permettant d’éviter les transitions brutales entre deux ou plusieurs matériaux, fait également l’objet d’un intérêt croissant de notre part. Enfin, une nouvelle étude sur la fabrication directe de pièces en polymère par une technique « lit de poudre » est en train de débuter dans le cadre d’un partenariat industriel et en collaboration avec le groupe «Microstructures et propriétés des polymères ». Le perçage laser (appliqué entre autres aux aubages aéronautiques) est un procédé pour lequel la concurrence des laboratoires étrangers est particulièrement active. Notre contribution originale à cette thématique consiste à la fois à développer des modèles physiques simplifiés de l’interaction en régime semi-confiné permettant de mieux comprendre la géométrie des trous, mais également à optimiser le perçage de structures complexes (pièces revêtues de barrières thermiques), tout en étudiant l’influence des zones percées sur les propriétés mécaniques statiques et cycliques des structures (collaboration avec le groupe « Microstructures et propriétés des métaux», ANR ULTRA). Si la plupart des études mentionnées ci-dessus s’intéressent directement aux procédés laser, il est également possible d’utiliser le laser comme une simple source de chaleur, de distribution spatiale et temporelle connue, permettant de reproduire d’autres phénomènes physiques. C’est par exemple le cas de la combustion assistée par laser (thèse M.Muller) au cours de laquelle un dépôt d’énergie laser contrôlé est utilisé pour initier une combustion, afin de simuler des incidents exothermiques dans les canalisations d’oxygène sous pression.

 

             

Procédés laser : (a) bain liquide métallique obtenu lors d'un soudage laser, (b) Perçage laser en régime ms

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Actuellement, le groupe est composé de 15 personnes dont 7 permanents, 5 doctorants, 2 post-docs, et un ingénieur de recherche sous contrat. Il s’adosse à un partenariat industriel fort via le groupement d’intérêt scientifique GEPLI auquel participent Air Liquide, Arcelor, Peugeot-Citroën, Safran et Thales, et qui contribue à l’orientation des thématiques scientifiques. A ces collaborations industrielles viennent s’ajouter de nombreux contacts scientifiques avec la communauté française (LCD-Poitiers, Ecole des Mines de Paris, Université de Bretagne Sud, INSA Strasbourg, Université de Bourgogne …) et internationale (TWI Cambridge, ILT Aächen …).

CoMet : Comportement et microstructure des Métaux


Responsables : Olivier Castelnau (DR) et Zehoua Hamouche (MDC)


Les travaux de recherche de l’équipe CoMet se basent sur des approches multi-échelles expérimentales, théorique, et numériques, en vue de décrire et de relier de manière systématique les mécanismes élémentaires de déformation, la microstructure du matériau et son évolution, le comportement effectif d'un Volume Elémentaire Représentatif, et le procédé d'élaboration ou de transformation. Notre activité principale est focalisée sur les métaux, purs ou alliés, mais elle s'ouvre également vers d'autres types de matériaux polycristallins (céramiques, minéraux), de nouvelles structures (matériaux architecturés), et à l'étude de comportements multi-physiques. Les activités expérimentales s’appuient sur les Centres de Ressources du laboratoire, en particulier Rayons X, Microscopies, Essais Mécaniques, et Laser, au sein desquels l’équipe a impulsé des développements importants (ex. : démonstrateur technologique pour une fabrication additive à grande échelle, diffraction résolue en temps pour la fatigue ultrasonique (20 KHz) en collaboration avec le synchrotron SOLEIL, …).

Nos activités de recherche propres s’articulent autour des quatre grands thèmes spécifiques décrits ci-dessous. L’équipe est également largement impliquée dans des thématiques transverses au laboratoire (la fabrication additive, le comportement aux très grandes vitesses de déformation – choc laser, et le comportement des matériaux architecturés).

La liste des thèses préparées actuellement dans l’équipe est disponible ici (rechercher le mot clé 'comet'). La liste des thèses soutenues est disponible ici (classement par année).

 

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