Approche systématique par optimisation topologique et traitement laser localisé pour le développement de matériaux architecturés à base d'aciers – SCOLASTIC

De nombreuses applications industrielles nécessitent des matériaux aux propriétés spécifiques (par unité de masse) améliorées, notamment dans les secteurs du transport et du biomédical. Les matériaux architecturés sont une classe émergente de matériaux avancés, étendant le champ des possibles en termes de propriétés fonctionnelles. Le terme matériaux architecturés comprend tout matériau hétérogène ayant des propriétés spécifiques améliorées du fait d’une conception morphologique et topologique intelligemment prédéfinie. Cela implique souvent des longueurs caractéristiques comparables à la taille du produit considéré. Les méthodes de traitement localisé apparaissent comme des candidats naturels pour le développement de tels matériaux.

L’objectif principal du projet SCOLASTIC est de concevoir et développer des matériaux métalliques architecturés par optimisation topologique et traitement laser localisé. Un cadre numérique est développé pour la génération et l’optimisation de motifs d’architecturation. Le traitement thermique laser localisé de tôles d’aciers dual-phase (DP) est d’abord considéré dans le but de contrôler l’anisotropie plastique, puis pour améliorer le comportement en fatigue en comparaison avec le même matériau non-traité, afin de démontrer la faisabilité de l’approche. Quand ils sont bien contrôlés, les procédés laser peuvent générer de façon déterministe des altérations topographiques, mécaniques ou métallurgiques, de façon graduée ou homogène, en surface ou en volume, en fonction des paramètres du laser (puissance, vitesse) et de la configuration de traitement.

En capitalisant sur le concept de traitement localisé de structures élancées, notre projet vise à développer une approche systématique de détermination de motifs d’altération correspondant à un cahier des charges donné. SCOLASTIC consiste principalement à développer un cadre numérique pour la génération de motifs optimisés pour l’architecturation locale des matériaux, i.e. des tôles d’aciers DP dans notre cas. Ce motif est le résultat d’une boucle d’optimisation topologique développée autour d’un module de génération de forme, basé sur les automates cellulaires, et un module d’évaluation de fonction-coût, basé sur la méthode des éléments finis. La fonction-coût doit être minimisée pour un ensemble de contraintes données. La valeur obtenue est alors utilisée comme feedback pour l’itération suivante de l’optimisation topologique. La résolution spatiale de l’optimisation est choisie ici comme l’échelle pertinente pour l’incrément spatial de traitement laser, 1mm environ, ce qui correspond aussi à une échelle représentative de la microstructure sous-jacente.

Le potentiel d’applications de SCOLASTIC est très vaste, mais dans un but de clarté nous nous limitons ici au cas du traitement laser localisé de tôles d’aciers DP à haute limite d’élasticité. Ce type de nuances d’aciers DP présente un fraction volumique élevée de martensite, ce qui induit une résistance mécanique améliorée et une ductilité réduite, limitant ainsi la formabilité globale du matériau. En réduisant les épaisseurs de tôles d’aciers DP, le déchirement et la rupture seront favoriser lors de la mise en forme par emboutissage, limitant ainsi l’utilisation commerciale de tels matériaux. Un traitement laser localisé peut résulter en un revenu contrôlé de martensite, ayant pour conséquence d’ajuster localement le compromis entre limite élastique et ductilité, nous permettant ainsi de contrôler localement l’adoucissement du matériau. Des motifs optimisés pourraient améliorer le comportement mécanique à la fatigue et à la rupture des tôles en induisant un émoussement contrôlé des fissures, et en ajoutant une contribution liée à la dissipation plastique dans l’énergie totale effective à la rupture du matériau architecturé. En ce qui concerne la fonctionnalité du matériau, des chemins privilégiés de localisation de la déformation peuvent être conçus à l’aide des travaux menés dans SCOLASTIC.