Offre d'emploi :

Doctorant "Modélisation numérique d'une opération de fabrication additive WAAM"

Informations : Ref: DER462/IRT / Secteur : R&D / Lieu : Nantes / Thèse

Client

L'IRT Jules Verne est un centre de recherche mutualisé dédié au développement des technologies avancées de production et vise l'amélioration de la compétitivité de filières industrielles stratégiques. Le cœur d'activité de l'IRT consiste à transposer et intégrer des développements scientifiques matures ou des concepts techniques émergents dans les processus industriels liés à la production et la fabrication.
L'IRT est centré sur les besoins de 4 filières industrielles stratégiques :
- Aéronautique (Airbus, Daher, Stelia, Safran, Dassault Aviation, Zodiac, Latécoère,….),
- Automobile (PSA, Renault, Faurecia, Plastic Omnium, Valeo, ...),
- Energie renouvelable (General Electric, Siemens,…)
- Navale (Naval Group, Chantiers de l'Atlantique…).
Les équipes mènent des recherches en mode collaboratif en s'associant à des entreprises qui développent et déploient des solutions pour l'usine du futur (machines et équipements de production, outilleurs, robots, logiciels de production, …) ainsi qu'aux meilleurs académiques dans le domaine du manufacturing.
Au sein de l'IRT Jules Verne, la R&D est organisée autour de trois domaines, la Conception Intégrée Produits/Procédés, Les Procédés Innovants de Fabrication et les Systèmes Flexibles et intelligents dans lesquelles les Equipes de Recherche Technologiques (ERT) Modélisation et Simulations, Procédés Composites, Procédés additifs & Métalliques (PMM), Contrôle & Monitoring et Robotique & Cobotique travaillent en synergie pour proposer les innovations et briques technologiques nécessaires au développement des technologies avancées de production.
Créé en 2012, les chiffres clés de l'IRT Jules Verne sont les suivants :
- 75 membres et partenaires industriels et académiques.
- 25 M€ de chiffre d'affaires annuel, et un portefeuille cumulé représentant 130 M€ de projets de recherche depuis sa création.
- 110 personnes et 15 M€ d'équipements de recherche structurants.
- 35 brevets déposés.

Poste

Contexte :
L'équipe de recherche technologique Procédés & Matériaux Métalliques et fabrication additive, composée d'une quinzaine de personnes (Docteurs, Ingénieurs & Techniciens), est en charge de développer et déployer des technologies innovantes dans les cinq thématiques de la feuille de route de l'IRT Jules Verne :
- La mobilité dans l'espace industriel
- La flexibilité de la production
- L'assemblage
- Les procédés de préformage et formage
- Les procédés de fabrication additive
L'ERT PMM travaille plus particulièrement sur différentes familles de procédés de fabrication additive adaptées aux matériaux utilisés : métaux, composites et minéraux. Pour cela, l'ERT PMM s'appuie sur des relations de confiance établies avec des industriels clés (Renault, Airbus, Faurecia, STX, GE, Naval Group, Safran, PSA,…), des académiques (Ecole Centrale de Nantes, Institut Mines Telecom Atlantique, Université de Nantes, CNRS,…) et des centres techniques comme le CETIM ou le CTI-PC.
L'équipe est chargée de repérer et de relier un large spectre de compétences issues de disciplines scientifiques variées (exploitation et transfert des résultats scientifiques) et de secteurs industriels différents (fertilisation croisée et transfert technologique entre filières) pour élaborer des réponses innovantes aux enjeux technologiques de l'IRT Jules Verne. Les développements technologiques sont à mettre en perspectives avec les 4 secteurs d'activités industriels clés de l'IRT JV : l'aéronautique, l'automobile, les énergies renouvelables et la construction navale.
Les projets menés dans l'ERT PMM sont de natures variées allant des projets collaboratifs multi partenaires industriels de l'IRT JV, de la recherche sur contrat mono partenaire et sur des projets européens. L'ERT PMM est investie dans des projets de R&D de taille variable allant de la prestation à des projets de plusieurs millions d'euros.

Afin d'aider les partenaires industriels à garder une longueur d'avance technologique, l'IRT Jules Verne a créé le programme PERFORM (ProgrammE de Recherche FOndamentale et de Ressourcement sur le Manufacturing) qui stimule le développement de la recherche amont par le financement de grappes de thèses de doctorats portant sur des problématiques industrielles identifiées. Le programme est cogéré par l'IRT Jules Verne et ses partenaires industriels et académiques.

Sujet de la thèse
Ces dernières années, la fabrication additive métallique a connu un grand essor dans le monde industriel. Parmi les nombreux procédés existants, le WAAM pour Wire Arc Additive Manufacturing utilise un procédé de soudage à l'arc (TIG ou MIG) qui sert habituellement à faire quelques cordons de soudure, pour construire une pièce métallique de grandes dimensions comportant une multitude de cordons. Un des défis majeurs que rencontre les industriels concerne la maîtrise des contraintes et déformations résiduelles. En effet, la succession de cycles thermiques complexes associée à la géométrie et au bridage des pièces génère d'importantes contraintes et déformations résiduelles qui ont un très fort impact autant sur les aspects dimensionnels que sur la tenue en service des pièces. La thèse proposée vise à poursuivre les travaux engagés par l'IRT dans ce domaine.

L'objectif de la thèse est de disposer d'un outil industriel capable de quantifier finement l'impact des paramètres du procédé sur les contraintes et déformations résiduelles générées, en cours de fabrication, et lors du refroidissement final, pour des pièces de grandes dimensions. Pour ce faire, la thèse comportera un volet expérimental et un volet modélisation pour lesquels le(la) candidat(e) s'attachera à développer, en permanence, un dialogue essai-calcul pertinent.

D'un point de vue expérimental, il est nécessaire de mieux comprendre le lien entre les paramètres du procédé, l'histoire thermique vue par la pièce, les transformations métallurgiques et les propriétés mécaniques locales au sein des pièces fabriquées. Des essais de dépôts instrumentés permettront de connaître précisément l'évolution temporelle du champ thermique dans la pièce, en cours de procédé et lors du refroidissement final. Les caractérisations thermophysiques, métallurgiques et mécaniques sont disponibles ou seront réalisées en amont de la modélisation avec les moyens de laboratoire (microscopie optique, Microscopie Electronique à Balayage (MEB), cartographies de diffraction électronique associées à des cartographies de microdureté, essais Gleeble…). La caractérisation des contraintes et déformations résiduelles s'appuiera sur les moyens des laboratoires encadrant cette thèse avec éventuellement, en appui, des expériences sur grands instruments soumises à l'acceptation de proposals.


D'un point de vue modélisation, la stratégie proposée se positionne à un carrefour entre des simulations entièrement multi-physiques qui ont pour vocation de reproduire fidèlement la physique d'un procédé de fabrication additive fil arc, mais dont les temps de calcul sont extrêmement longs, et des simulations où la prédiction de l'histoire thermique est basée uniquement sur des sources de chaleur équivalentes. L'objectif de la thèse proposée est donc d'utiliser 2 niveaux de modélisation à 2 échelles différentes. Le premier niveau de modélisation basé sur des modèles multiphysiques thermo-hydrauliques existants au laboratoire permettra ainsi d'identifier, plus précisément, des distributions énergétiques au sein de l'apport de matière qui serviront aux calculs thermo-métallurgiques-mécaniques réalisés sur pièces de grandes dimensions. On s'attachera, tout particulièrement, à respecter la géométrie et la forme des cordons déposés qui sont à l'origine de beaucoup de dispersions dans les mesures expérimentales.

Tout au long de l'étude, le(la) doctorant(e) confrontera les simulations EF aux résultats expérimentaux, notamment en termes de contraintes et déformations résiduelles. Les influences de la géométrie des pièces, du préchauffage et du bridage des pièces seront, entre-autres, étudiées. Cette confrontation permanente simulations ? expériences permettra alors d'obtenir un outil fiable pour la maitrise de la répartition des contraintes et déformations résiduelles. Cette approche a pour but de préparer l'ouverture à un nouveau champ de la fabrication additive métallique en permettant d'anticiper les contraintes et déformations résiduelles dans les pièces produites.

Rattaché(e) au responsable de laboratoire et au RERT (responsable d'équipe de recherche technologique), il/elle aura en charge les missions suivantes :
Liste des missions :
1. Effectuer un état de l'art complet concernant les causes racines responsables de l'apparition des contraintes et déformations résiduelles et pondération des causes : variables liées au procédé de dépôt, variables matériaux, variables mécaniques (bridage, géométries…)
2. Choix des configurations à produire et instrumentions des pièces (en temps réel ou en périodique) pour la mesure, entre autres, des champs de température et des déformations
4. Compléter les caractérisations thermophysiques et caractérisations métallurgique et mécanique des pièces fabriquées pour alimenter les modélisations développées
5. Mise en place des modélisations numériques
6. Confrontation permanente simulations ? expériences pour la validation des modélisations choisies

Les recherches aussi bien expérimentales que de modélisation, seront réalisées à l'Institut des Matériaux Jean Rouxel à Nantes et à l'Institut Dupuy de Lôme à Lorient.

Profil

Titulaire d'un diplôme d'ingénieur et/ou de master avec une expérience en recherche.
Vous avez un goût prononcé pour le développement d'essais expérimentaux et de modélisations.
et vous avez acquis une bonne maîtrise de la modélisation mécanique.

Envoyez votre candidature (CV+Lettre motivation+lettre de recommandation) !


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