PEPS 2017 : un appel à projets axé sur les technologies clés pour la réalisation ou la réparation de pièces structurales par fabrication additive

Mots-clefs associés (liste non exhaustive) :
Matériaux organiques, matériaux métalliques, matériaux céramique, procédés de fabrication, relations structure propriétés, fabrication additive, ‘Additive Layered Manufacturing’ (ALM), contrôles non destructifs, certification en service, réparation, poudres, atomisation, matériaux structuraux, traitements thermiques, traitements chimiques, états de surface, modélisation, simulation.

Objectifs :

Cet appel à projets a pour ambition de faire émerger des solutions innovantes en soutenant des initiatives dont la prise de risque ne permet pas un financement par les canaux habituels, mais qui laissent espérer de potentielles ruptures avec l’existant.

Les projets PEPS doivent mettre en œuvre de nouvelles méthodologies ou de nouveaux concepts susceptibles de conduire à des progrès significatifs comme la recherche de nouvelles pistes si possible en lien avec des besoins matériaux et structures plus spécifiques aux applications Défense tels qu’ils sont décrits dans le document POST (pp. 20 à 23, 26 à 33).

Les projets présentant un caractère multidisciplinaire (notamment chimistes, physiciens, métallurgistes, informaticiens…) sont encouragés. 
 

Critères d'évaluation :

• Projet en rupture / à risque
• Adéquation projet / laboratoires et/ou industriels impliqués
• Potentiel pour de futures applications défense

Modalités : 

Cet appel à projets est ouvert jusqu’au 24 avril 2017 à 12 heures. 

L’appel à projets s’adresse à tous les laboratoires académiques français susceptibles de contribuer à la thématique, sans nécessiter un rattachement au CNRS. Le consortium déposant le projet peut comporter un ou plusieurs laboratoires, ainsi que des industriels qui ne pourront toutefois pas prétendre à un financement. 
Le projet ne devra pas être relié à un autre projet déjà financé par la DGA (Thèse, ASTRID…).

Les projets dureront au maximum 1 an et seront financés à hauteur de 20 k€ au maximum pour l'ensemble des partenaires.
Le démarrage des projets pourra avoir lieu en janvier 2018.
Pour tous les projets portés par des laboratoires associés au CNRS, les notifications de crédits seront effectuées par le CNRS. Pour les autres laboratoires une autre voie de financement sera utilisée. 
Les livrables demandés aux bénéficiaires seront la fourniture d’un rapport (texte au format pdf) et d’une fiche de synthèse (un modèle sera fourni). La participation à une réunion globale de fin de projet sera organisée par le CNRS et la DGA, au cours de laquelle sera présenté l’ensemble des projets. 

En fonction des résultats obtenus, ces projets PEPS auront vocation à être prolongés par des projets de recherche soutenus par les dispositifs de la DGA destinés à la recherche amont (thèses, projets RAPID, programme ASTRID à l’ANR par exemple).

Mode de candidature :

Les candidatures devront impérativement être déposées sur l’outil SIGAP (système d’information et de gestion des appels à projets) - dans la liste des appels à projets, choisir l’appel PEPS-DGA.
Retrouvez le formulaire de candidature et tous les documents nécessaires pour déposer un projet sur SIGAP.

Pour plus d’informations sur le fonctionnement du logiciel SIGAP, une aide en ligne est mise à disposition sur le site de la mission interdisciplinarité.

Besoin d'un renseignement ?
peps-dga@cnrs.fr

Xavier Truel et Marie-Christine Sainte-Catherine (DGA) 
Laurent Nicolas et Gilles Dambrine (CNRS - INSIS)

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Technologies clés pour la réalisation ou la réparation de pièces structurales par fabrication additive

Le développement de la recherche et des technologies dans le domaine des matériaux et procédés est essentiel au maintien et au développement de la compétitivité de l'industrie nationale. La « fabrication additive » (AM - Additive Manufacturing) trouve de plus en plus sa place dans les procédés de production de l'industrie, tant pour le civil que pour le militaire, ainsi que dans les procédés de réparation. La réparabilité des pièces en sortie de fabrication, et des pièces en service endommagées est un problème majeur qui est abordé par tous les industriels. L’augmentation de la durée de vie des matériels, l’optimisation des cycles de vie, nécessitent de disposer de méthodes de réparation fiables. Il est nécessaire pour le développement des technologies de disposer d'éléments pour établir des liens entre la structuration aux différentes échelles, les propriétés et les procédés de mise en œuvre des matériaux. En effet, l’émergence des technologies sur le marché nécessite une optimisation de l’ensemble procédé - matériau, une compréhension et un pilotage fin de l'incidence de la microstructure sur les propriétés physiques (conductivité thermique, électrique), mécaniques (contraintes résiduelles et tenue en fatigue), et une maîtrise de l’état de surface final des pièces fabriquées.

La garantie des propriétés des éléments de structure obtenus par fabrication additive, avec le degré de performance et de reproductibilité exigé au niveau industriel, suppose de relever un certain nombre de défis technologiques, comme la sécurisation de la gamme et de la qualité des matériaux (matières premières) avant leur élaboration, la maîtrise de la machine de fabrication, la fonctionnalité des pièces fabriquées avec les moyens de contrôle non destructifs et l’évaluation de leurs propriétés, et du procédé dans sa globalité, dont les traitements de postfabrication et de finition... La recherche fondamentale a un rôle décisif à jouer dans les progrès qui restent à accomplir dans tous ces domaines. L’objectif de ce PEPS est de soutenir cette recherche et d’en élargir le champ (exploration de nouveaux concepts) en se rapportant plus particulièrement aux trois thématiques critiques (« verrous technologiques ») indiquées ci-après.

Les matériaux abordés dans les travaux liés à ce PEPS concernent principalement les matériaux métalliques, les matériaux céramique et des multimatériaux.

Les recherches à mener peuvent mobiliser les compétences de chercheurs dans de nombreuses disciplines scientifiques différentes (chimistes, physiciens, métallurgistes, informaticiens), et l’association de ces compétences dans des projets multidisciplinaires est jugée essentielle pour réaliser des travaux véritablement innovants et porteurs de progrès par rapport à l’état de l’art.

Verrou 1 : Performance et reproductibilité des propriétés des pièces fabriquées

L’obtention de pièces avec des caractéristiques recherchées et reproductibles nécessite la maîtrise d’un ensemble d’éléments critiques entrant dans la définition de la chaîne matériau – procédé d’élaboration. 
Un premier enjeu est la disponibilité et la caractérisation des matières premières : poudres métallique ou céramique, fils...  Il s’agit de rendre disponibles et reproductibles d'un lot à l'autre des matières premières dont les caractéristiques, en lien avec le procédé d’élaboration, permettent d’obtenir les propriétés désirées des pièces fabriquées (géométrie finale, tenue mécanique, microstructure, état de surface…). Les recherches doivent permettre d’améliorer la compréhension théorique et expérimentale du triptyque matière première / procédé / propriétés notamment mécaniques des pièces obtenues et de proposer ou d’évaluer des voies de progrès.

De nouvelles formulations de matières premières permettant de mieux satisfaire les exigences liées à la sécurité et à l’environnement sont autant de défis à relever.
Des recherches sont également à mener dans le domaine des fabrications multimatériaux. Les caractéristiques des pièces obtenues par ces procédés devront être évaluées et analysées, et les microstructures devront être mises en regard de celles-ci.

Des recherches proactives doivent être menées pour profiter des possibilités d'association des différents matériaux afin d’obtenir des propriétés particulières comme le magnétisme, la conductivité... et des associations directes polymère/métal.

Concernant les éléments structuraux, la fusion laser (SLM – Selective Laser Melting) est un moyen majoritairement employé industriellement, mais l'utilisation des matériaux comme le titane a conduit au développement de nouvelles technologies de prototypage comme l'Electron Beam Melting (EBM). L’une des applications de ces nouvelles technologies concerne l’électronique avec la combinaison de matériaux conducteurs avec des matériaux céramiques isolants en ayant recours à des technologies de type jet d’encre et jet d’aérosol. Des recherches axées plus spécifiquement sur la caractérisation de ces technologies, l’identification de leur potentiel et de leurs limites vis-à-vis de diverses applications sont à mener.

Verrou 2 : Traitements postfabrication ou de parachèvement

Le traitement postfabrication des pièces est actuellement un point majeur, voire le réel verrou à aborder en priorité pour pouvoir passer du prototype au développement industriel de la fabrication de pièces par AM. 30 à 50% du coût d’une pièce AM est aujourd’hui consacré à la postfabrication et au contrôle.

Les propriétés notamment mécaniques des pièces peuvent nécessiter des traitements thermiques ultérieurs visant à contrôler les microstructures. Les microstructures anisotropes héritées des procédés d'AM doivent également être gérées, voire pilotées.  Dans le cas des matériaux céramiques, l'élimination rapide des liants et le frittage des pièces sont indispensables. 
Certaines applications et pièces issues de l'AM nécessitent un état de surface (rugosité voire propriétés) très bien maîtrisé en sortie de fabrication. Les finitions de surface sont un vrai challenge qui aujourd'hui fait reculer certains industriels. Par ailleurs, un traitement de surface au-delà de la gestion de la rugosité peut être nécessaire dans l'objectif par exemple d'une résistance accrue en surface (nitruration), d'amélioration de la tenue à la corrosion.

Dans le cas de pièces multimatériaux, avec des gradients de propriétés, non seulement l’usinage sera complexifié, mais également le choix de l’ensemble des traitements chimiques ou électrochimiques.

Il est attendu des propositions de recherches relatives à ces post-traitements. On cherchera à proposer des méthodes innovantes pouvant être mises en œuvre après, voire pendant le procédé. Les projets proposés pourront traiter un ou plusieurs des besoins énoncés précédemment. Des développements de machines, proposant un usinage classique en parallèle à la fabrication d'une pièce, ne rentrent pas dans cet appel, de même qu'un simple post-traitement thermique visant à améliorer les propriétés mécaniques. Les méthodes proposées peuvent être mises en œuvre sur des pièces d'architecture simple mais devront, dans une extension ultérieure, intégrer la capacité à traiter des pièces complexes.

Verrou 3 : Moyens de contrôle pour la certification des fabrications

Pour utiliser une pièce critique, il faut être capable de garantir la matière première, mais également toutes les étapes du procédé (certification de la qualité de la fusion, du frittage des poudres). Le contrôle en parallèle d’éprouvettes n’est pas suffisant. De manière à permettre une pénétration forte de ces technologies dans l’industrie, il conviendra d’être capable de mettre sur le marché des pièces fiables, répétables en terme de propriétés, s'appuyant sur une robustesse du procédé dans sa globalité pour aboutir à la certification.

Le développement des technologies d’AM implique après fabrication de disposer de moyens de contrôle non destructifs. Ces technologies doivent également faire appel à un nouvel ensemble de moyens de pilotage de la fabrication en vue du respect des cotes finies de la pièce, des aspects de surface, pilotage qui doit être reproductible et robuste pour pouvoir être certifié en vue de la fabrication ultérieure. Des moyens de simulation seront à développer et devront faire le lien entre la fabrication et les logiciels de conception des bureaux d’étude.

Le contrôle de la qualité des pièces fabriquées est un des points bloquants qui devra être levé. Ces moyens de contrôle non-destructif (CND) doivent être couplés aux moyens de pilotage des machines. Des actions de recherche couplant procédés de fabrication et procédés de pilotage des machines doivent être engagés. L'intégration de la robotique devrait être une solution pour la fabrication de pièces de grandes dimensions. Le recours à la simulation des procédés permettra d'aborder la reconception des pièces, l'hybridation des technologies, l'association de matériaux différents sans avoir recours aux assemblages (collages, brasage...). Les recherches sur les moyens de contrôle à développer devront viser à une caractérisation in-situ permettant de comprendre les phénomènes physiques et d’aller vers une meilleure maîtrise du procédé.

Il sera nécessaire d’acquérir la capacité de contrôler en temps réel et donc disposer de moyens de capture d’image (vitesse de pulse du laser) et ou de signaux ainsi que d’outils efficaces de traitement en temps réel des images et signaux. Ces moyens de CND doivent être couplés aux moyens de pilotage des machines.

L’automatisation des contrôles est un autre axe de recherche fort qui contribuera à l'introduction des technologies, mais qui adresse un périmètre plus large que les pièces réalisées par AM. Il conviendra de pouvoir disposer des moyens de suivi, de contrôle et de monitoring qui permettront de s’assurer d’une production maîtrisée.