Introduction générale

Le travail de cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une contribution à la modélisation du comportement mécanique des milieux pulvérulents en cours de densification et à la simulation numérique du procédé de compression à froid en matrice des poudres métalliques. Un amas de grains forme un monceau conique lorsqu'il est soumis à la gravité et repose sur un plan. Pour obtenir d'autres formes, il est nécessaire d'adjoindre à cet ensemble un liant afin de permettre une cohésion entre les grains. Dans le cas des poudres métalliques, les liaisons entre grains sont obtenues par l'application de fortes pressions et d'un traitement thermique. Les seules pressions caractéristiques du procédé de compression en matrice suffisent à donner une forme à la poudre de fer initialement pulvérulente. Ce procédé de mise en forme est utilisé dans nombre de secteurs parmi lesquels l'aéronautique et l'automobile. Pour construire un véhicule, il faut un grand nombre de matériaux dont l'acier. Ce matériau peut être mis en forme à partir de tôles, de barres ou encore de poudres. Cette poudre est exposée à de fortes pressions puis de fortes températures pour atteindre les spécifications de tenue mécanique requises de la pièce formée. Ces grains de poudre ainsi "soudés" entre eux peuvent former des engrenages, des roues dentées, des moyeux, des cames ou encore des bielles. Cette liste de pièces en rapport avec l'industrie automobile est loin d'être exhaustive, elle illustre cependant les capacités de la gamme de fabrication qui allie le procédé de compression à froid et le procédé de frittage. La compression à froid a pour objectif principal d'imprimer à la poudre la forme de la pièce. Á l'issue de ce procédé, la pièce dite "à vert" est mécaniquement très fragile. Le procédé de frittage qui consiste à chauffer la pièce à vert à haute température permet de "souder" les grains pour conférer à la pièce ces caractéristiques de tenue en service. Cette combinaison de deux procédés est couramment employée dans le secteur mécanique pour des productions de grandes séries permettant des prix de revient faibles. Elle permet d'allier cadence de production, minimum de perte de matière première et ne nécessite pas de reprise d'usinage majeure. Lors de l'élaboration de la gamme de fabrication d'une nouvelle pièce, certains paramètres caractéristiques de la compression à froid sont à définir. Ils concernent la masse initiale de poudre, la cinématique de compression, l'énergie requise pour la mise en forme et le choix des outils. Afin de réduire au mieux le temps d'immobilisation des moyens de production pour le réglage d'une nouvelle gamme, la simulation numérique apparaît ainsi comme un outil de mise au point prometteur. Les premiers résultats significatifs pour la simulation numérique du procédé datent des cinq dernières années. En effet, les résultats de simulation doivent être validés pour un certain nombre de paramètres par comparaison avec l'expérience. L'acquisition de données expérimentales sur presse industrielle et l'identification inhérente des aspects pertinents pour la simulation numérique sont des pratiques relativement récentes. Dans ce contexte industriel et scientifique, les travaux qui ont été menés pour cette thèse concernent en partie les axes de développement identifiés au sein du réseau PM Modnet qui regroupe des industriels et des laboratoires de recherche. Cette thèse résolument orientée vers la mise en uvre et la critique des modèles de la simulation numérique a pour premier objectif d'apprécier le potentiel des outils de simulation numérique. Le transfert des modèles utilisés en laboratoire vers le bureau d'études requiert en effet comme étape préliminaire la comparaison avec des cas industriels. La démarche principale qui a initialement guidé le déroulement des travaux portait sur l'analyse des éléments constitutifs liés à la pratique de la simulation numérique du procédé de compression à froid. Cette thèse est à ce titre une contribution à l'analyse critique de divers éléments pour la validation de l'outil numérique. Afin de fiabiliser cette procédure, il convient d'étudier les éléments génériques nécessaires à la construction de modèles pour simulation numérique du procédé. D'un point de vue pratique, le numéricien a tout d'abord besoin d'une base de données suffisamment riche et fiable correspondant aux poudres mises en forme. Il doit par ailleurs pouvoir disposer de lois de comportement adaptées pour décrire le comportement de la poudre et de procédures de "calage" de ces lois en utilisant la base de données. Cette revue des éléments génériques principaux doit être finalement complétée par une connaissance du dispositif de mise en forme, le fonctionnement des presses et les caractéristiques des outillages. Suite à un choix parmi les logiciels éléments finis disponibles ([FRA98]), les travaux de recherche présentés ont consisté à évaluer les capacités de prédiction de différents modèles. Cette évaluation est fondée sur des comparaisons entre les résultats des simulations et les données expérimentales collectées lors de la mise en forme de pièces réelles. Ces travaux ont été menés en conservant à l'esprit l'objectif principal de cette contribution. Ainsi, les modèles manipulés sont analysés au sens de la pratique de la simulation numérique. Cette analyse conduira à commenter la procédure complète de construction de modèle de simulation du procédé en termes de bases de données nécessaires pour les poudres et les méthodes de calage. Le travail de ce rapport est organisé en trois parties qui se déclinent en chapitres. La première partie a pour objectif de positionner la métallurgie des poudres dans un contexte général. Ce contexte est décrit dans un premier chapitre qui expose en particulier le procédé de compression en matrice. Ce chapitre positionne la simulation numérique et la démarche d'optimisation dans le processus de fabrication. Le deuxième chapitre de cette première partie expose le choix du type d'approche proposée, en l'occurrence une modélisation par la mécanique des milieux continus. Bien que ce ne soit pas l'objet des travaux menés, des résultats d'essais sont exposés afin de définir le cadre expérimental à la modélisation du comportement de la poudre. L'analyse des lois de comportement mécanique de la poudre est l'objet de la seconde partie. Le chapitre trois rappelle quelques modèles élastiques existant en montrant les lacunes de ceux-ci pour reproduire le comportement réversible mesuré pour une poudre de fer comprimée à vert. Une loi est proposée afin de prendre en compte l'ensemble des phénomènes observés. La partie plastique du comportement est présentée dans le quatrième chapitre. Les lois actuellement utilisées pour la simulation numérique du procédé sont exposées en premier lieu. Ces lois sont respectivement les modèles de CamClay et Drucker-Prager/Cap. Par la suite, une revue bibliographique est faite afin de proposer une méthode générale au développement de lois plus complexes. Plus particulièrement, il s'agit de transformer des lois plastiques isotropes en lois pour la description de comportements anisotropes. Les résultats de la caractérisation des poudres et de l'identification des modèles sont utilisés pour la simulation numérique du procédé de compression en matrice. Ceci fait l'objet de la troisième partie de ce rapport. Le cinquième chapitre décrit succinctement le code de calcul ABAQUS, ses méthodes de résolution et les aspects en rapport direct avec modèles numériques développés. Ce logiciel offre la possibilité d'intégrer des lois de comportement. Á cet effet, des méthodes d'intégrations sont exposées. Le chapitre six est consacré à la validation de la démarche de la simulation numérique. Deux géométries de pièces industrielles ont été simulées avec différents modèles éléments finis. Les résultats sont comparés aux mesures expérimentales afin de déterminer la validité des modèles numériques. Les modèles de comportement utilisés lors des simulations ne sont que des approximations du comportement réel de la poudre. Il est nécessaire de prendre en compte ces imprécisions lors des identifications des paramètres des lois afin d'obtenir des résultats de simulations admissibles. En ce sens, le chapitre sept présente une étude paramétrique par rapport aux variables d'une loi élasto-plastique. Le but de cette étude est de déterminer la sensibilité des résultats de simulation aux paramètres caractéristiques de la loi de comportement. Cette étude permet d'aborder deux aspects principaux. Les paramètres dits sensibles devront faire l'objet d'une attention particulière lors des identifications expérimentales. Par ailleurs, la quantification des sensibilités de chaque paramètre permet d'évaluer l'intervalle de confiance pour les résultats de la simulation en fonction des incertitudes expérimentales. Enfin, les résultats importants de ces travaux sont synthétisés et diverses perspectives sont présentées.