Modélisation et fabrication de mousses métalliques pour applications multifonctionnelles – FOAM

Les mousses métalliques (aluminium, cuivre, acier) à pores ouverts offrent un potentiel d’applications multifonctionnelles (allègement, tenue au crash, échange thermique, amortissement des vibrations, …) dans de nombreux secteurs industriel (énergie, transport, …). La réalisation de ces matériaux cellulaires par un procédé de fonderie, peu onéreux, permettrait leur diffusion à grande échelle.
Leur développement actuel est limité par de nombreux verrous scientifiques et techniques: méconnaissance des relations entre micro-géométrie et propriétés macroscopiques fonctionnelles, comportement non Beerien de certaines mousses de fonderie (directions de rayonnement privilégiées), complexité de la modélisation du procédé de fabrication (écoulement transitoire dans un milieu à 4 phases), passage complexe d’une description des phénomènes physiques du processus d’infiltration à l’échelle du pore à celle de la pièce, absence de règles métiers fonderie pour garantir la santé métallurgique des pièces en mousse.
Le projet FOAM a pour objectif d’apporter un cadre structurant autour de la technologie des mousses par fonderie afin d’améliorer leur connaissance, de développer des modèles et outils de calcul dédiés ainsi que de valider les gains technico-économiques sur démonstrateurs. Les partenaires du consortium sont des universitaires ECP, ARMINES, l’INSA de Lyon, l’IUSTI (Polytech Marseille), des industriels ; TN International, HUTCHINSON, Carbone Lorraine Applications Electriques (CLAE), MOTA, une start-up Solaire2G (Sol2G) et le Centre Technique des Industries de la Fonderie (CTIF) qui est coordinateur du projet FOAM.
Les deux principaux domaines d’applications visés sont l’échange thermique et l’absorption d’énergie en crash pour le transport terrestre (HUT) et maritime (MOTA), les énergies renouvelables comme le solaire photovoltaïque (Sol2G), l’éolien (CLAE) ou encore le nucléaire (TNI).
Le projet FOAM sera conduit selon une triple approche; scientifique (modélisation et caractérisations fines), technique (développement d’outils métiers) et préindustrielle (réalisation et caractérisation fonctionnelle de démonstrateurs).
Plusieurs modèles seront développés pour simuler et comprendre le comportement micromécanique en compression et crash en transfert thermique (méthode de Lattice-Boltzmann) et en comportement radiatif . Ces modèles s’appuieront sur des topologies de mousses reconstruites en 3D (iMorph) à partir de tomographies. Pour valider ces modèles, des échantillons de mousse seront réalisés par fonderie ou par prototypage rapide puis caractérisés (thermique, crash, …)
Un travail fondamental sera réalisé pour déterminer « ab initio » les morphologies de structures cellulaires les plus performantes dans chacune des applications. Afin de réaliser industriellement ces structures, les impératifs de fabrication par fonderie seront pris en compte. Cette connaissance permettra de réaliser un saut technologique pour proposer des matériaux « à la carte » et économiquement accessibles.
Des règles métiers fonderie seront développées pour pré-dimensionnement les systèmes de remplissage et d’alimentation (masselotte). En parallèle, un modèle mathématique (ECP) sera développé afin de modéliser le procédé de fabrication basé sur l’infiltration d’une préforme (noyaux poreux) par du métal liquide. Ce modèle permettra de dimensionner finement les systèmes de remplissage et d’alimentation.
Un outil de dimensionnement fonctionnel (IUSTI) sera développé sous forme d’une boîte à outils. Il permettra de prévoir les performances d’une mousse en fonction de ses paramètres morphologiques, de déterminer en fonction d’un cahier des charges la morphologie la mieux adaptée.
Enfin, des démonstrateurs seront dimensionnés, réalisés (CTIF) et testés fonctionnellement (HUT, CLAE, TNI, MOTA, Sol2G). A l’issue de ces tests, un outil de chiffrage du coût fonderie et une estimation du marché industriel potentiel seront établis.