Thèmes de recherche

null

Identification et contrôle de propriétés thermiques et mécaniques
Identification et contrôle

Les matériaux ou structures étudiés sont généralement anisotropes et/ou hétérogènes. Les activités concernent principalement les composites traditionnels même si aujourd’hui quelques travaux s’orientent vers les matériaux biodégradables et/ou les tissus biologiques. Dans tous les cas, l’idée est de mettre en place des outils et des méthodes qui permettent, à partir de techniques de mesure atypiques, de :

 - Caractériser l’état santé et le comportement thermomécanique de matériaux. La caractérisation de l’état initial et le suivi de l’endommagement des structures sont deux des principaux aspects investigués.

 - Définir des procédures d’instrumentation et d’échantillonnage adaptées à l’étude de matériaux non standards avec des moyens conventionnels (e.g. essais normalisés).

 - R​​​​​enforcer le lien entre essais et calculs. Un des objectifs est d’identifier les paramètres de modèles de comportement à partir d’essais hétérogènes (e.g. essais sur structures pour les matériaux composites).

Par exemple, la mesure de champs thermiques par thermographie IR a été utilisée pour étudier des phénomènes de fatigue (endommagement et cumul de dommages) et de plasticité en pointe de fissures sur des structures métalliques renforcées ou non par patchs composites soumises à des sollicitations complexes.

Collaborations et publications

Projet Région : Contrôle non-destructif par thermographie infrarouge de pièces aéronautiques en composites

L’objectif de ce projet, démarré en juillet 2009 et mené en collaboration avec AIRBUS et le LGP de l’ENI de Tarbes, est de mettre en place une méthode d’évaluation par mesure infrarouge portative afin de détecter sur site des défauts sur des composants aéronautiques en composites. Cette méthode non destructive par thermographie infrarouge fait l’objet de comparaisons avec d’autres méthodes non destructives comme les ultrasons ou la shearographie.

 

Partenaire industriel : AIRBUS

Depuis mon arrivée à l’IUT de Tarbes, un partenariat avec Marie-Anne Desmedt, expert chez Airbus Toulouse, a été mis en place. Ce partenariat nous apporte un retour d’information sur les besoins industriels en contrôle non destructif. C’est à ce propos qu’Airbus a soutenu le Projet Région. Ce partenariat a permis d’obtenir des pièces structurales aéronautiques à tester en CND comme des bielles de plancher ou des panneaux de l’A380 ou encore d’avoir à disposition le matériel de shearographie. Aujourd’hui la rédaction d’un brevet en commun avec Airbus est en cours.

 

Encadrement de thèses

Christian Garnier : Etude des composites endommagés (a démarré en 2008).
Teddy Lisle : Etude d’endommagement d’un stratifié composite tissé en zone singulière par thermographie infrarouge (a démarré en 2010).
Jérémy Crevel : Etude et modélisation du comportement et de l’endommagement de composites injectés renforcés de fibres mi-longues (a démarré en 2010).


 

Valorisation

Participation à 7 congrès internationaux. 
Participation à 4 congrès nationaux.
6 articles internationaux avec comité de lecture.

Usinage des composites



Une des thématiques actuelles forte du laboratoire porte sur l’usinage des matériaux anisotropes hétérogènes que sont les composites. En effet, le marché des matériaux composites se développe énormément à l’heure actuelle, notamment dans le monde aéronautique, que ce soit Airbus avec l’A350 ou Boeing avec le 787, les constructeurs déploient des moyens de recherche considérables pour mettre au point de nouveaux avions, plus performants et fer de lance d’une nouvelle épopée aéronautique.

Un des points clés repose aujourd’hui sur la maîtrise des paramètres d’usinage pour garantir la conformité des pièces, la santé matière et sans oublier l’intégrité des opérateurs. L’usinage des matériaux composites pose actuellement de nombreux problèmes d’usure et de pannes machines. Le monde scientifique reste divisé sur le choix des méthodes à utiliser : Usinage Grande Vitesse, lubrifier ou pas, …. Très souvent pour nos partenaires industriels le point focal reste encore le gain de productivité, mais la volonté de progresser vers une intégrité machine/pièce/opérateur est réelle, et focalise toute notre attention).

 

CONTRIBUTION, DÉMARCHE, MÉTHODOLOGIE

 

Pour répondre à ces différentes problématiques, l’équipe a notamment travaillé sur :

 - L’optimisation des trajectoires par rapport à l’orientation des fibres, et l’analyse des efforts de coupe engendrés.
 - Les mécanismes d’obtention de surface et les interactions à l’interface outil coupant/pièce usinée (méthodologie du Couple Outil Matière).
 - L’analyse des poussières lors de l’usinage. Le risque pour l’opérateur n’est pas aujourd’hui maitrisé et on constate que beaucoup d’industriels ne sont pas sensibilisés à cette toxicologie.
 - L’intégrité des pièces usinées (fissures, délaminages, écaillages, etc.) : utilisation de techniques ultrasonores adaptées. 
 - La relation entre les géométries des outils coupants, leur usure et l’aspect visuel de la surface usinée : mesure des états de surface via un perthomètre laser 3D.
 

Ces démarches s’accompagnent le plus souvent d’une caractérisation physico-mécanique poussée du matériau (analyse du taux de fibre, comportement avant et après usinage, tests en compression, fatigue,…), et d’une modélisation numérique des phénomènes observés lors de la coupe via caméra rapide. 

Modélisation des Procédés

Modélisation des Procédés

La production de matériaux composites nécessite bien souvent des investissements lourds dans les moyens de mise en œuvre. Le développement de nouveaux procédés ou leur adaptation aux exigences de l’industrie aéronautique engendrent des coûts très élevés de mise au point.

La modélisation de ces procédés va permettre de mieux comprendre et de mettre en évidence les phénomènes physiques mis en jeux. Elle va également diminuer les coûts et le temps de développement.

Les moyens de simulation numériques actuels permettent de simuler finement des procédés de plus en plus complexes faisant intervenir des phénomènes multiphysiques à différentes échelles. Les transferts thermiques avec changement d’état sont couplés à la mécanique des fluides (convection, advection,…) et les géométries considérées se rapprochent de plus en plus de la réalité.
 

Démarche et méthodologie de la Modélisation des Procédés

 

La modélisation des procédés peut permettre de répondre à deux objectifs :
Tout d’abord mettre en évidence les phénomènes physiques mis en jeux et leurs différentes influences sur les résultats obtenus.
Ensuite la simulation sert à optimiser le procédé afin d’améliorer la production. La modélisation commence par la détermination des lois physiques mises en jeux (mécanique des fluides, transferts thermiques, diffusion des espèces, …).
Le modèle est ensuite affiné pour faire ressortir les paramètres prépondérants, le choix de l’échelle d’étude se fait a ce moment là.

Le choix d’une méthode numérique (différences finies, éléments finis, volumes finis, éléments frontière, …) est alors fait pour permettre la simulation numérique du procédé.

La réalisation de montages expérimentaux pour alimenter le modèle est quasiment incontournable. Un banc de mesure de perméabilité de renforts fibreux a, par exemple, été réalisé pour la simulation de l’infusion de résine. Les montages expérimentaux servent aussi à valider et affiner les modèles développés.

Les codes développés sont généralement implémentés dans un code existant et viennent l’enrichir.

Collaborations et diffusion

Types de projets

Le projet FUSCOMP (FUSelage COMPosite) doit permettre la fabrication d’un fuselage en matériaux composites par le procédé d’infusion. Ce projet de recherche est coordonné par le constructeur aéronautique DAHER-SOCATA, il regroupe des partenaires industriels (SICOMIN, AEROVAC), des laboratoires de recherche (LGP, ICA) et des organismes de formation (Lycée Jean Dupuy, IUT et ENIT).

Dans ce cadre, un modèle prenant en compte les spécificités de l’infusion et reposant sur une méthode originale de résolution numérique par la méthode des éléments frontière et couplé à la méthode level-set de suivi d’interface a été développé.
 

Compétences requises

La modélisation des procédés et leur simulation numérique nécessitent :

 - Une connaissance approfondie des procédés de mise en œuvre des matériaux composites et de leurs applications. 
 - La maitrise des lois régissant la physique mise en jeux. 
 - Le développement de codes de calculs spécifiques afin d’optimiser la précisions des résultats et la rapidité des calculs.
 - La réalisation de montages expérimentaux instrumentés pour d’une part, alimenter en données physiques les modèles, et d’autre part les valider sur des cas tests.
 

Valorisation

Nos travaux sont principalement valorisés par leur présentation lors de congrès ou par la publication d’articles dans des revues internationales spécialisées.
 

 - R. Gantois, A. Cantarel, J.-N. Félices, F. Schmidt
Numerical simulation of Resin Transfer Molding using BEM and Level Set method.
International Journal of Material Forming, Vol. 3 Suppl 1:635– 638, 2010
 - R. Gantois, A. Cantarel, J.-N. Félices, N. Pirc, F. Schmidt
BEM Simulation Of 3D Updated Resin Front For LCM Processes
Key Engineering Materials Vol. 446 pp 131-136, 2010 - Trans Tech Publications, Switzerland
 

Partenaires et secteurs d’activités

Deux types de partenaires sont actuellement associés à nos travaux : tout d’abord des partenaires académiques comme le LGP de l’ENIT ou l’équipe de l’école des mines d’Albi, et des partenaires tournés vers le transferts de technologies comme le CRCC de Tarbes.

L’usinage cinq axes en roulant avec outil de forme
L'usinage cinq axes

Dans le domaine de la fabrication, l’usinage sur machine outil multi-axes a permis de diminuer le nombre de posages sur les pièces comprenant de nombreuses opérations. Ceci s’est traduit par une réduction majeure des coûts et des temps de production. L’utilisation du 5 axes positionnés s’est étendu à l’usinage en 5 axes continus pour l’obtention de surfaces gauches.
 

Nous distinguons plusieurs types d’usinages :
 

 - En bout avec outils hémisphériques ou toriques. 
 - En roulant avec outils cylindriques ou coniques. 
-  En roulant avec outils de forme.

Les premiers sont largement utilisés dans l’usinage des métaux. Il existe de nombreux travaux sur l’optimisation de la précision et la fluidité des trajectoires. Le dernier est propre à l’usinage de surfaces esthétiques sur le bois. Actuellement la réponse industrielle pour l’usinage du bois se limite à une extrapolation des deux premières approches, le résultat est mal adapté au besoin.
Nos travaux privilégient la complexité des géométries et l’allure générale des pièces en bois sur la précision. Nous abordons la problématique du passage de plusieurs outils, chacun d’eux permettant d’obtenir une partie de la surface Nous nous intéressons à la spécificité de l’usinage de matériaux orthotropes dans le contexte de l’usinage 5 axes.
 

MÉTHODOLOGIE

Tout d’abord nous calculons la surface enveloppe, générée par le déplacement d’un outil de forme le long d’une trajectoire. Cette surface est traitée pour en définir la surface englobante. Les liens entre chaque points de la surface et les conditions d’obtention sont conservés afin d’établir une corrélation entre la surface et la trajectoire. Nous déterminons également les conséquences en termes d’accélération sur les différents éléments de la chaine cinématique de la machine.
 

Dans un second temps nous évaluons plusieurs stratégies de calcul de trajectoires pour un outil complémentaire au premier. Les contraintes imposées dans ce cas concernent la réduction des écarts entre la surface théorique et la surface usinée, le respect des tolérances admissibles pour le raccordement en tangence des deux surfaces, et la continuité des mouvements sur tous les axes de la machine.
 

Un traitement doit permettre alors d’ajuster les deux trajectoires pas à pas afin d’optimiser les différents critères. La troisième partie, plus expérimentale, consiste à déterminer les conditions limites acceptables intégrant le caractère anisotrope de la matière usinée et d’injecter ces données dans le modèle afin, soit de contraindre la trajectoire, soit d’ajuster dynamiquement les conditions de coupe.

Collaboration et diffusion

Types de projets

Pour faire face à la concurrence des pays étrangers (comme les pays de l’Est ou la Chine) sans délocaliser, les entreprises régionales travaillant dans le bois se sont équipées de machines outils à commande numérique cinq axes. Dans ce contexte, l’IUT est intervenu à plusieurs reprises à travers des actions de transferts de technologie pour accompagner les chaisiers Landais dans cette évolution.

Une collaboration en recherche avec un éditeur de progiciel de Fabrication Assistée par Ordinateur (Alma-Sapex) s’est concrétrisée par un contrat CIFRE, le projet a été aidé par le Conseil General 65. 
 

Compétences extérieures utilisées

Pour répondre à ces problématiques nous nous sommes interessés aux travaux effectués dans le domaine de l’infographie 3D et particulièrement à certains algorithmes de traitement que nous avons transposés à nos domaines.

Les objectifs de contributions au développement de code intégrable sur un logiciel commercial ont nécessité la collaboration de spécialistes Math-Info.
 

Dernières publications

 - CHEVALIER S., FELICES J.N., PESSOLES X., RUBIO W. Study of polynomial path parameterisation for side milling of sculptured surfaces International Journal of Machining and Machinability of Materials, vol.8, Nos. 3/4 , pp 384-407,2010.
 - CHEVALIER S., FELICES J.N., RUBIO W., Modelling the Surface Generated by a Cutting Tool in Wooden Workpieces, Journal of Manufacturing Technology Research, Volume 1, pp117-136,2009. 
 - CHEVALIER S., FELICES J.N., RUBIO W.,Detection and reduction of zones of burning in 5-axis machining of wooden parts- International Conference on Structural Analysis of Advanced Materials – 2009, Tarbes – France.
 

Partenaires et secteurs d’activités

 -  Alma: Groupe d’une centaine de personnes basé à Saint-Martin-d’Hères (Grenoble) spécialisé, entre autre, dans le développement et l’édition de logiciels d’optimisation de processus industriels, de CFAO et de robotique.
 - Sièges BASTIAT: Entreprise de création et de fabrication de chaises et de fauteuils basée sur Hagetmau (Landes).
 - ALKI, Chaiserie Landaise, Larmandieu, Lonné, Sieges Michaud : Groupement de chaisiers de la région Aquitaine.

 

Utilisation de méthodes CND (US et EA) pour le contrôle de structures
Utilisation de méthodes CND (US et EA) pour le contrôle de structures

De plus en plus souvent, et quel que soit le secteur industriel, le recours à l’utilisation de méthodes de Contrôle Non Destructif (CND) est devenu aujourd’hui indispensable. Ces techniques permettent en amont de valider la pièce réalisée, de suivre sa santé matière une fois en service (surveillance des risques de délaminages, fissures,…), et enfin en aval d’anticiper le remplacement de cette dernière. La variété et la flexibilité des techniques de contrôles non destructifs leur permettent d’être utilisées dans de nombreux domaines et conditions. Deux d’entre elles ont connu un essor important ces dernières années et font l’objet de nombreuses études au sein de notre laboratoire : le contrôle par ultrasons et l’émission acoustique.

Plusieurs aspects sont développés dans nos activités de recherche :

 - L’utilisation des méthodes CND pour le contrôle de structures ou de pièces industrielles.
 - L’optimisation des stratégies d’auscultation.
 

PRINCIPE ET APPLICATIONS DES TECHNIQUES CND

Le contrôle par ultrasons est basé sur l’émission et la réception d’ondes ultrasonores. L’émetteur et le récepteur sont situés dans le même boitier appelé sonde, traducteur ou palpeur. L’émetteur envoie un train d’ondes qui va se réfléchir sur l’objet à ausculter et ensuite revenir à la source. Le temps mis pour parcourir un aller-retour permet de déterminer la distance de l’objet par rapport à la source. La présence de défauts internes aux pièces à ausculter perturbe la transmission des ondes dans la pièce en renvoyant un écho. Ce matériel permet le contrôle post-endommagement de pièces volumiques.
 

L’émission acoustique est une technique récente qui connait un véritable engouement notamment grâce au développement de l’informatique. Ses principaux atouts sont sa capacité à détecter, à distance et en temps réel, des défauts évolutifs. En effet, lors de l’endommagement de pièces ou de structures, une énergie est libérée et se propage dans le matériau. Une instrumentation de la structure par des capteurs piézoélectriques permet de détecter ces ondes ainsi que de localiser leur origine. Une émission acoustique peut être caractérisée par 15 paramètres temporels et fréquentiels ce qui permet de différencier les mécanismes d’endommagement.

Collaborations et publications

Projet FUI "FUSCOMP"

La finalité du projet FUSCOMP (FUSelage COMPosite) concerne la fabrication d’un démonstrateur de fuselage en composite. Projet de recherche de grande ampleur mené par DAHER-SOCATA, FUSCOMP regroupe des partenaires industriels (SICOMIN, AEROVAC), des centres de recherche (LGP, ICA) et des organismes de formation (IUT, ENIT et Lycée Jean Dupuy). L’étude de la possibilité de fabriquer par infusion des structures primaires en composite est l’objectif majeur du projet.

L’IUT de Tarbes a la charge des contrôles US des pièces élémentaires, des sous-ensembles et du fuselage complet. L’Emission Acoustique est finalement utilisée pour les tests de pressurisation.
 

Partenariats Industriels

 - Boostec Industries : Recherche de paramètres optimisés pour le contrôle de pièces industrielles en céramique : Carbure de Silicium. Controle par US de la zone brasée d’un assemblage plan.
 - Projet Epicéa "Compo-Usinage" : Recherche de paramètres optimisés pour le contrôle de pièces industrielles en Carbone. Vérification de la non-dégradation des pièces après usinage (détourage, perçage).
 

Participation à des thèses

 - Adrien PERRET, "Modélisation FEM d’un fuselage d’avion d’affaires fabriqué par infusion", thèse financée par DAHER-SOCATA (démarrée en Sept 2007) : Utilisation des CND (US) pour le contrôle de l’endommagement après essai de compression sur éprouvette composite.
 - Elodie PERONNET, "Test en pressurisation d’un fuselage en composite avec conception d’un système de mesure sans contact appliqué au test", thèse financée par DAHER-SOCATA (démarrée en Oct 2008) : étude de l’optimisation des techniques d’auscultation par ultrason.
 - Christian GARNIER, "Etude des composites endommagés" thèse financée par DAHER : Contrôle de l’endommagement de pièces composites impactées par US.
 

Valorisation

 - "Characterization and comparison of defects detection limits of three ultrasonic non destructive methods", E. PERONET, F. EYMA, H. WELEMANE and C. PESCAY.
 -  "Caractérisation et comparaison des limites de détection de techniques de contrôle non destructif : méthodes ultrasonores et méthodes optiques", E. PERONNET, F. EYMA, M-L PASTOR, H. WELEMANE.
- "Comparison of two Nondestructive Tests in Carbon/Epoxy Composites", M.L. PASTOR, C. PESCAY and C. GARNIER.

Usinage du bois
Usinage du bois

L’ensemble des travaux présentés portent sur les liens existants entre une surface usinée et le procédé mis en jeu pour l’usiner, ainsi que le lien entre cette surface et son aptitude à répondre à une utilisation future.
Les études traitent de tous les paramètres mis en jeu : essence du bois, paramètres machines, paramètres outils, paramètres de mesure de surface et types d’utilisation (surface revétue, surface de contact, surface esthétique…)
 

CONTRIBUTION, DÉMARCHE, MÉTHODOLOGIE

La première démarche (thèse de Jean Philippe Costes) consistait à étudier les différents paramètres machines et outils dans des gammes de vitesses très étendues "Usinage Grande Vitesse UGV".
La deuxième étape était de définir une méthodologie de mesure des états de surface permettant de décrire quantitativement des défauts visuels bien définis, mais aussi de graduer ces défauts par une méthode précise ne faisant plus appel à l’avis humain (subjectif car différent d’une personne à l’autre, thèse Abolghasem Khazaeian).
Pour compléter ce travail une étude sensorielle sur les aspects tactiles et visuels a été réalisée dans la thèse de Tahiana Ramananantoandro. Pour un mode d’usinage fournissant des états de surface différents, une analyse a été menée sur un panel d’observateurs, et les résultats obtenus se sont avérés parfaitement corrélés aux résultats mesurés.

Collaborations et diffusion

Types de projets ou Projets réalisés (contrat de recherche)

 

Pour valoriser ce travail une thèse de synthèse a été financée par la région Bourgogne (gros producteur de bois de douglas) et le Centre Technique du bois et de l’ameublement « CTBA » chargé de la diffusion auprès des industriels. L’objectif était de suivre une pièce de bois de la sortie de la scierie jusqu’à son utilisation en menuiserie.

Les pièces de bois sont usinées suivant un protocole défini pour obtenir une qualité de surface. Ces pièces vont donner trois lots : un ne subira pas de modification, le deuxième permettra de faire des assemblages collés et le troisième sera revêtu soit d’une peinture, soit d’un verni. Toutes ces pièces vont subir un vieillissement accéléré, cycle UV et cycle hygrothermique.
 

Compétences extérieures utilisées ou requises

 

L’ensemble de ces travaux s’inscrit dans une réflexion de groupe fédéré par l’association Groupe Usinage Bois (GUB). Ce groupe réunit tous les chercheurs en lien avec l’usinage du bois en France (ENSAM Cluny, ENSTIB Epinal, CIRAD Montpellier, INRA Nancy et l’iut de Tarbes). A travers des contrats européens, ce sont joints au groupe des chercheurs de l’université de Florence (Italie), de Varsovie (Pologne), et de Laval (Québec).
 

Partenaires ou secteurs d’activités

 

ADEME, Ministère de l’agriculture, Centre technique du bois et de l’ameublement, CRITT Bois.

Le partenariat industriel est difficile avec les acteurs de la transformation, les professionnels les plus proches de l’activité de recherche sont les outilleurs et les fabricants de machines.