Modélisation et simulation

Mieux prévoir le comportement des procédés et des structures pour accélérer les développements

A l’IRT Jules Verne, la simulation numérique est utilisée pour développer et optimiser les procédés de fabrication. Elle fournit des critères objectifs pour orienter les choix. Elle permet notamment de comparer différentes solutions techniques, d’identifier les paramètres influents.

Dans le cas des procédés de fabrication, l’IRT Jules Verne étudie à la fois les phénomènes de transformation de la matière et les technologies pour les mettre en œuvre au travers de la modélisation des outillages et des ilots de fabrication. L’Institut contribue ainsi à l’évaluation de la faisabilité, à la définition de la fenêtre de fonctionnement et à l’anticipation des performances atteignables en termes de santé matière, de distorsions géométriques et de contraintes résiduelles. Les travaux menés par l'équipe adressent trois enjeux majeurs :

• Améliorer la performance industrielle, en réduisant les temps et les coûts de développement, en optimisant les fenêtres opératoires et en maîtrisant la consommation énergétique.
• Renforcer la maîtrise des procédés, par la compréhension des phénomènes physiques, en concevant des procédés et des outillages plus robustes, en prenant en compte les variabilités des matériaux et des procédés et en anticipant leur impact sur les performances en service.
• Développer des outils numériques pragmatiques : des outils de prédiction et d'aide à la décision au service de la conception, de l'optimisation et du pilotage des procédés.

Nos compétences et briques technologiques en modélisation et simulation

La feuille de route de l’IRT Jules Verne en matière de modélisation et simulation couvre l’ensemble de la chaîne numérique. Elle associe la modélisation du comportement des matériaux, la simulation des procédés, la modélisation des moyens de production et le développement d’outils d’aide à la décision.

Nos activités R&D en modélisation et simulation

Simulation et optimisation des procédés composites

En lien étroit avec l’équipe Procédés et Matériaux Composites, l’équipe Modélisation et Simulation étudie les procédés de mise en œuvre des matériaux thermodurcissables et thermoplastiques. La simulation intervient dans les phases de développement et d’optimisation des procédés composites, notamment pour les procédés voie liquide (RTM, infusion), les procédés de formage et de consolidation (estampage, thermocompression, autoclave), les procédés hybrides (surmoulage) et l’assemblage par soudage.

L’objectif est de pouvoir anticiper les étapes de remplissage, de cuisson, de consolidation et de démoulage des pièces en prédisant au plus juste les écoulements, les températures, les déformations générées mais aussi les défauts potentiels (zones sèches, porosités, plissements…). Les outils numériques permettent alors d’évaluer la faisabilité du procédé, de définir sa fenêtre de fonctionnement et d’optimiser les paramètres de fabrication.

La précision des simulations dépend en grande partie de la capacité à modéliser le comportement du matériau pendant les étapes de fabrication ainsi que de la prise en compte du comportement réel de l’outillage et de l’environnement.

Simulation et optimisation des procédés métalliques

L’équipe Modélisation et Simulation, en étroite collaboration avec l’équipe Procédés et Matériaux Métalliques modélise les procédés de soudage, de fabrication additive et de formage à froid ou à chaud.

Les travaux portent aussi bien sur les conséquences de l’apport thermique (dimensions de cordon, transformations de phases, contraintes résiduelles, déformations géométriques), que sur la génération même de la chaleur et les phénomènes physiques dans la zone source (plasma d’arc, interactions arc/bain, keyhole). La simulation est également utilisée pour accompagner la conception des outils de soudage (tête laser, outils d’inertage, modules de pré ou post chauffe).

Fabrication additive

Cette forte expertise sur la modélisation du soudage est étendue à la simulation des procédés de fabrication additive. Les travaux de l’équipe se focalisent notamment sur les procédés DED (Dépôt par Energie Dirigée) arc et laser. Les objectifs principaux recherchés étant la maîtrise thermique tout au long de la gamme de fabrication pour garantir la santé matière et la conformité géométrique ainsi que l’optimisation des stratégies de fabrication pour la productivité.

Formage

La simulation des procédés de formage se focalise sur l’amélioration des capacités de prédiction des simulations (maitrise géométrique notamment) et l’optimisation de la durée de vie des outillages. L’IRT adresse les procédés de formages usuels mais aussi des procédés de niche comme le flexforming ou le SPF.

Jumeau numérique du procédé

Au-delà de la compréhension et du développement des procédés, l’IRT Jules Verne développe des approches de jumeaux numériques pour accompagner le pilotage des procédés.

Ces répliques virtuelles permettent de reproduire fidèlement le comportement d'un procédé, d'en anticiper les évolutions et d'en détecter les dérives. Les modèles numériques qui constituent le cœur de calcul du jumeau combinent une représentation des phénomènes physiques avec des données issues du procédé réel, garantissant des simulations réalistes et adaptées à chaque contexte industriel.

Pour répondre aux exigences de rapidité d'exécution et de précision, l'équipe Modélisation et Simulation – en collaboration avec l’équipe Monitoring, Inspection et Contrôle – s'appuie sur des méthodes de modélisation avancées faisant notamment appel à l'intelligence artificielle. Ces approches respectent les lois physiques qui régissent le procédé tout en restant exploitables en temps réel, des atouts essentiels pour le pilotage des procédés et une aide à la décision fiable.

Assemblage et tolérancement

L’équipe Modélisation & Simulation a développé des compétences approfondies dans les problématiques de tolérancement qui sont clés pour les gammes d’assemblage et donc l’optimisation des cadences de production.

L’équipe développe des outils de métrologie virtuelle pour comparer les résultats de ses simulations (géométrie des pièces) aux tolérances spécifiées.

Les travaux visent également à prendre en compte les incertitudes (matériau, paramètres procédé, environnement) pour déterminer, via la simulation, les tolérances de fabrication d’une pièce ou estimer les taux de non-conformité des procédés. Dans ce cadre l’équipe cherche à hiérarchiser les paramètres et développer des méthodes de propagation d’incertitudes frugales (grand nombre de paramètres process, taux de conformité très faibles).

Enfin, dans le cas des assemblages de pièces de très grandes dimensions ou de pièces de tôlerie, L’IRT Jules Verne adresse la problématique de la flexibilité des pièces assemblées.

Management thermique des procédés

Le management thermique constitue un enjeu majeur pour la maîtrise des procédés composites ou métalliques.

En s’appuyant sur la modélisation, l’équipe accompagne le développement des procédés :  définition et pilotage des cycles de chauffe et de refroidissement, conception des outillages (performances thermique et énergétique). L’utilisation de la simulation permet de garantir l’uniformité thermique sur les surfaces moulantes,  la maitrise des gradients thermiques, d’évaluer les dilatations d’outillage, d’anticiper et compenser les distorsions géométriques des pièces.

Au-delà de la maitrise du procédé pour garantir la qualité des pièces produites, l’équipe cherche à améliorer la performance industrielle :

• Optimiser la consommation énergétique des procédés (limitation des pertes, récupération, valorisation)
• Limiter les couts d’outillages en augmentant leur durée de vie.