Matériaux virtuels - Une réalité industrielle en mouvement – RealIMotion

Des objectifs ambitieux et novateurs sont visés dans la Chaire RealIMotion et seront atteints par les étapes suivantes :

Développer de nouvelles approches de suivi de front prometteuses, améliorant l'efficacité de calcul des formulations en champ complet existantes en 2D et 3D par un facteur 100 à 1000 dans les simulations à l'échelle mésoscopique des procédés de mise en forme à chaud.
Enrichir les mécanismes physiques pris en compte dans la stratégie numérique existante et les développer dans la nouvelle approche de suivi de front (algorithmes ToRealMotion), en accord avec les besoins et priorités industriels.
Accélérer les calculs sur volumes élémentaires représentatifs (VER) avec un grand nombre de grains pour permettre l'utilisation des simulations sur VERs pour de nombreux points d'intégration des simulations macroscopiques, tout en maintenant un temps de calcul raisonnable pour assurer la compatibilité avec les installations de calcul en R&D.
En utilisant nos nouvelles capacités de calculs sur VERs, une vaste base de données numérique concernant les matériaux/mécanismes/conditions de procédés sera construite. Des stratégies de réseaux neuronaux profonds supervisés et d'apprentissage par renforcement profond seront entraînées sur cette base de données. Cela permettra d'accélérer les calculs de R&D en couplant les calculs sur VERs avec les prédictions proposés automatiquement par les modèles entrainés. De plus, l'interprétation automatique de certaines singularités microstructurales (par exemple, la croissance de grain anormale) ou les calibrations automatiques de modèles en champ moyen seront également testées.
Tout au long du projet, les développements seront validés grâce à une collecte de données expérimentales ciblée et optimisée et des procédures optimisées d'identification des paramètres des modèles.
Les algorithmes numériques pertinents seront intégrés, tout au long du projet, dans le logiciel industriel DIGIMU afin d'être testé dans les départements de R&D des partenaires industriels et validés sur de réelles configurations industrielles.

Le projet a démarré officiellement le 01/10/22. 3 thèses, 1 mastère et et 1 postdoc sont en cours et deux thèses vont démarrer à la rentrée prochaine. Deux des thèses sont dédiées aux développements de nouvelles méthodes numériques de type machine learning pour accélérer les temps de calculs des simulations à l’échelle mésocopique voir remplacer les calculs hautes-fidélités pour certains mécanismes métallurgiques. Les premiers résultats sont prometteurs. Le postdoc est utile à l’alimentation de ces travaux en données expérimentales. Enfin la troisième thèse vise à développer les modèles mésoscopiques existants pour être applicable aux alliages d’aluminium. Le mastère est dédié aux tests de méthodes de type slice-GAN pour reconstruire des microstructures 3D représentatives à partir de données 2D.

Le formalisme numérique lié à la chaire a été enrichi pour modéliser également les changements de phase à l’état solide pour des compositions simples. Il est prévu d’en étendre la portée en 2025/2026. Enfin, je participe au développement des méthodes champ complet ToRealMotion pour en accroitre sa versatilité en termes de mécanismes et alimenter les bases de données nécessaires aux méthodes de type machine learning. Côté modèle à champ moyen un nouveau formalisme applicable aux hautes vitesses de déformation a été proposé et testé sur un acier austénitique. Ces travaux seront également étendus en 2025/2026 avec application à un super alliage base nickel.

A noter également que différents partenaires industriels ont travaillé à l’acquisition de données afin de prendre en main et alimenter en données les développements pour différents matériaux. L’ensemble des taches et des livrables prévus ont été réalisés comme détaillés en partie B. L’avancement des travaux est donc en phase avec le planning prévu et la dissémination/communication des premiers résultats est important. Voilà quelques éléments importants concernant les travaux réalisés depuis dix-huit mois :

1. Premiers tests de méthodes de type LSTM pour prédiction de mécanismes de croissance de grains à partir du modèle champ complet développé dans la chaire
2. Livraison du nouveau formalisme numérique ToRealMotion pour intégration dans le logiciel DIGIMU
3. La prestigieuse revue Progress in Materials Science a commandé un article dédié aux méthodes numériques développées dans le cadre de la chaire RealIMotion, cet article a été publié en avril 2024 (https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101224).
4. Invitation à présenter les développements liés à la chaire RealIMotion en tant que conférence plénière dans la conférence de référence dédiée aux mécanismes de recristallisation et croissance de grains (ReX&GG2023)
5. Le code DIGIMU 5.0 a été finalisé et présente de nombreux ajouts (application de la CDRX aux alliages de Zirconium, champ d’energie intragranulaire hétérogène, distribution de taille de germes).

. De nouveaux mécanismes vont être déployés sur le formalisme ToRealMotion.

. Les bases de données en cours de construction sont uniques sur la thématique, elles sont déjà mises à l'épreuve pour produire les premiers modèles d'ordre réduit utilisables en métallurgie computationnelle pour la prédiction des mécanismes de recristallisation, de croissance de grains et de changement de phase à l'état solide.

. Ces modèles seront ensuite couplés aux simulations à l'échelle macroscopiques ainsi qu'intégrés à DIGIMU6.0

. Cette nouvelle version du logiciel sera ensuite intensivement utilisée par les partenaires industriels pour l'améliorer.

• Invitation à présenter les développements liés à la chaire RealIMotion en tant que conférence plénière dans la conférence de référence dédiée aux mécanismes de recristallisation et croissance de grains (ReX&GG2023)
• La prestigieuse revue Progress in Materials Science a commandé un article dédié aux méthodes numériques développées dans le cadre de la chaire RealIMotion, cet article a été publié en avril 2024 (https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101224).
• Sortie de DIGIMU5.0
• Recrutement d’un EC (fin 2022 au démarrage de la chaire) spécialiste en changements de phase à l’état solide et qui participe activement au projet
• Sur la période : 10 articles de rang A, 9 conférences internationales, 5 conférences nationales, multipartenaires pour de nombreux items.
• 1 prix de thèse à la conférence ESAFORM 2024 (médaille de Bronze de la meilleur présentation pour P. Hahn)
• Attribution au PI de la médaille Albert Portevin de la société Française de Métallurgie et de Matériaux en 2024

L'un des objectifs de l'Union européenne en matière de changement climatique consiste à atteindre des émissions nettes de gaz à effet de serre nulles d'ici 2050. Une telle perspective met l'industrie des matériaux métalliques, qui contribue largement aux émissions de CO2 d'origine fossile, sous une pression forte et nécessite l'apparition de stratégies numériques puissantes pour concevoir, améliorer, calibrer, avec un très haut degré de confiance, de nouvelles technologies matériaux avec un très faible impact environnemental. D'un point de vue plus général, les propriétés en service et la durabilité des matériaux métalliques sont fortement liées à leurs microstructures, elles-mêmes héritées des traitements thermomécaniques.

Par conséquent, la compréhension et la prévision des évolutions des microstructures sont aujourd'hui un sujet clé dans la compétitivité des entreprises industrielles, avec des avantages économiques et sociétaux directs dans tous les grands secteurs économiques.

La modélisation multi-échelles des matériaux, et plus précisément les simulations à l'échelle mésoscopique, constituent le cadre numérique le plus prometteur car il permet un compromis entre la polyvalence et la robustesse des modèles basés sur la physique, les temps de calcul et la précision.

Dans ce contexte, une stratégie numérique de pointe pour décrire l'évolution de la microstructure des matériaux métalliques lors des traitements thermomécaniques a été développée durant la chaire industrielle ANR DIGIMU (Oct.2016-Mar.2021). Le logiciel DIGIMU® qui en résulte est maintenant disponible pour l'industrie et permet de faire, avec des temps de calcul typiques de quelques jours lorsqu'il est exécuté sur un simple ordinateur portable, des prévisions quantitatives des évolutions de la microstructure sur des volumes de l'ordre du mm3. De telles simulations et efficacités de calculs étaient un rêve il y a dix ans, une réalité maintenant grâce à DIGIMU.

L'objectif du projet RealIMotion est de repousser les limites de la métallurgie numérique et de développer un nouveau cadre numérique prometteur associé à une stratégie d'apprentissage machine basée sur la physique afin de viser des calculs massifs, prenant en compte des volumes de matériaux bien plus importants, en liaison avec des simulations macroscopiques et toujours avec des temps de calcul raisonnables. Un tel bond dans les modèles permettra d'optimiser numériquement les chemins thermomécaniques, de construire des cartes de mise en forme industrielles ciblées et de proposer automatiquement de nouveaux modèles homogénéisés améliorés. Le projet RealIMotion met la science des données, des modèles numériques basés sur la physique et l'apprentissage machine au service de la métallurgie industrielle.

Le porteur de RealIMotion est un pionnier et un leader dans le domaine de la modélisation à l'échelle mésoscopique des évolutions de microstructures en mise à forme à chaud. Le consortium industriel français qui soutient les développements du matériau numérique en mise à forme à chaud s'est enrichi avec RealIMotion. Constellium et Aperam en sont de nouveaux partenaires. Framatome, Aubert&Duval, ArcelorMittal, le CEA et Safran ont apporté de nouvelles applications sur alliages de zirconium, alliages d'aluminium, aciers biphasés et superalliages à base nickel de nouvelle génération.

Les étudiants recrutés dans le cadre de la chaire RealIMotion bénéficieront d'un environnement parfait pour devenir des experts en métallurgie numérique, en jumeaux numériques et en IA et répondre ainsi aux besoins futurs de l'industrie métallurgique. Les retombées attendues seront par ailleurs créatrices d’emplois pour tous les partenaires impliqués. La chaire RealIMotion contribuera à l'effort d'enseignement de la science des matériaux en proposant aux universités concernées un accès gratuit au logiciel DIGIMU® à des fins pédagogiques, ainsi qu'un ensemble de tutoriels clés en main adaptés à la pratique.