Proposition de thèse 2014-2017 Optimisation

Proposition de thèse 2014-2017
Optimisation topologique de moules d’injection alvéolaires obtenus par frittage laser. Etude numérique et
expérimentale du dimensionnement des alvéoles et du rôle mécanique de la poudre emprisonnée.
Contacts
Jean-Louis Milan, Maître de Conférence [email protected]
Jean Mailhé, Maître de Conférence [email protected]
Jean-Marie Rossi, Maître de Conférence [email protected]
Patrick Chabrand, Professeur [email protected]
Laboratoire
Institut des Sciences du Mouvement (UMR 7287, CNRS & Aix-Marseille Université).
Faculté des Sciences du Sport. Av. de Luminy F-13288 Marseille cedex 09 (FRANCE)
URL: www.ism.univmed.fr
Objectifs
Identifier, modéliser, concevoir et tester mécaniquement des moules à structures alvéolaires fabriqués par fusion laser en
minimisant la quantité de matière fondue tout en offrant des caractéristiques mécaniques satisfaisantes.
Mots-clés
Optimisation topologique, Prototypage rapide métallique, frittage laser, Mécanique des milieux granulaires, Modélisation
numérique en mécanique, caractérisation expérimentale.
Contexte
Dans un procédé de fabrication d’injection plastique, le moule représente un élément essentiel. Le mode de fabrication
traditionnel de ces moules (usinage) abouti à des délais de fabrication très long (10 à 12 semaines) et à des coûts très
élevés (de 20 000 à plusieurs centaines de milliers d’euros par moule). Des techniques de substitution telles que le
prototypage rapide métallique offrent de plus amples possibilités de fabrication avec des temps plus courts. Cependant
cette technique de fabrication par fusion laser de poudre métallique reste relativement coûteuse notamment pour obtenir
des pièces massives et pleines. L’idée est de réduire le temps de fabrication en réalisant des pièces alvéolaires.
Le projet de thèse vise donc à concevoir par fusion laser de poudre métallique une empreinte de moule alvéolaire pour des
applications d’injection plastique. Les spécificités de ce procédé doivent permettre de réaliser un moule compatible avec
toutes les matières, dans des délais très courts et à prix réduit.
Ces travaux de recherche en mécanique et ingénierie, seront réalisés dans le cadre du projet « QuickMold » financé par le
programme FUI 15 et en interaction avec les autres partenaires : Innovaplast, leader du projet et spécialiste de l’injection
plastique ; Poly-shape, spécialiste de la fusion laser de poudre métallique ; Oxytronic, équipementier électronique pour
l’aéronautique et utilisateurs de moule d’injection pour des pièces petites et moyennes séries ; Mécacorp, injecteur dans le
domaine automobile et utilisateur de moule d’injection pour des pièces grandes séries ; ARTS, centre de recherche en
mécanique, ingénierie et procédé ; ARMINES - CEMEF, centre de recherche en mécanique des procédés et transformation
des matériaux.
Le projet QuickMold est labélisé par le pôle de compétitivité PEGASE ainsi que par les pôles EUROBIOMED et
PLASTIPOLIS.
L’Institut des Sciences du Mouvement Etienne-Jules Marey est une Unité Mixte de Recherche (UMR 7287), associant AixMarseille Université et le CNRS au travers de l’Institut des Sciences Biologiques (INSB), institut de rattachement principal
et des instituts secondaires : L’Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes (INSIS), L’Institut des Sciences
Informatiques et de leurs Interactions (INS2I) et L’Institut des Sciences Humaines et Sociales (INSHS). L’effectif du
laboratoire est d’environ 110 personnes. L’ISM dispose de moyens numériques importants, de logiciels commerciaux et de
recherche, lui permettant de mener des calculs de structures basés sur des discrétisations à plusieurs millions d’éléments
et des lois de comportement complexes. L’ISM dispose également d’une plateforme technique offrant des prestations à la
pointe de la technologie dans le domaine du génie mécanique (réalisations d’usinages complexes tels des prothèses
orthopédiques ou dentaires et de prototypage rapide plastique et métallique, de simulation et d’optimisation de
trajectoires d’outils, conception CAO) ainsi que dans le domaine des techniques d’automatisation. Le doctorant utilisera
les moyens numériques et expérimentaux disponibles au sein de l’ISM pour réaliser son étude.
Description du travail
Le doctorant modélisera les structures alvéolaires réalisées par fusion laser. De par le procédé de fabrication, deux
configurations peuvent se présenter : des structures alvéolaires vides ou remplies de poudre métallique. Selon les
résultats des essais de caractérisation, celles-ci pourront être optimisées. Les travaux s’organiseront de la façon suivante :
1 - Etude des modèles existants et choix des modèles appropriés :
Etat de l’art des modèles de structures alvéolaires existants et des codes numériques associés. Etude de la théorie
mécanique des milieux granulaires et les codes numériques de simulation, notamment l’influence du nombre important de
grains dans le cas des poudres métalliques.
2 - Développement et implémentation numériques du modèle mécanique de la structure frittée :
Le doctorant réalisera des simulations de résistances aux contraintes mécaniques (pression, cisaillement) pour un moule
alvéolaire à partir des données correspondantes aux différents cycles d’injection et fournies par ARMINES-CEMEF. Il
identifiera les structures optimisées répondant au cahier des charges établis. Il calculera le contact inter-grains et simulera
le comportement mécanique de l’amas granulaire encapsulé. Il étudiera ainsi la résistance primaire et le comportement en
fatigue des structures alvéolaires. Les stratégies de calcul numérique devront être adaptées à la complexité du calcul,
notamment sur la question de la détection du voisinage des grains entre eux et des grains avec les parois de la structure.
3 - en collaboration avec Poly-shape, le doctorant réalisera des éprouvettes des différentes structures étudiées et
étudiera leur comportement mécanique en compression, traction, cisaillement. Les résultats seront rassemblés dans
une base de données utilisable par les autres partenaires du projet.
4 - Le doctorant étudiera numériquement et expérimentalement l’influence d’un gradient de frittage au sein des
structures alvéolaires avec poudre introduisant une transition progressive entre matière fondue et poudre. Ce mode de
fabrication peut amener à une redéfinition de l’épaisseur utile des parois des moules alvéolaires et à une réduction du
temps de frittage. Ces structures « gradient de fonte » seront comparées aux structures « binaires » en termes de
résistance mécanique et de temps de frittage.
Formation et connaissances attendues
Diplôme d’ingénieur ou Master en Mécanique et Matériaux ou Mathématiques Appliquées.
Compétences en Mécanique des solides déformables, Endommagement et rupture, Modélisation numérique, Méthode des
éléments finis.

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