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La modélisation des matériaux dans l’aéronautique, un facteur clé de compétitivité pour Safran


Les industriels de l’aéronautique sont engagés dans une course à la performance où la R&D joue un rôle décisif. Comment développer vite et bien les nouveaux matériaux, céramique ou alliages métalliques, qui permettront d’aller chercher quelques degrés supplémentaires dans un moteur d’avion ? La qualité de la modélisation et de la simulation font la différence, en permettant des tests plus rapides et en intégrant une connaissance scientifique très pointue aux savoirs métiers des ingénieurs.

Retour d’expérience de Ludovic Molliex de la Direction Matériaux & Procédés de Safran.

L’innovation technologique est souvent approchée par l’angle du numérique, mais elle concerne tout autant la part physique de notre monde, et notamment les matériaux. Quelle est l’importance de cette question pour un industriel comme Safran et dans quels termes se pose-t-elle aujourd’hui ?

Ludovic Molliex – Les matériaux sont d’abord, dans notre secteur, un levier de compétitivité. Leurs qualités mécaniques, leur masse, leur résistance, vont déterminer la fiabilité d’un moteur, sa performance, sa consommation en carburant – autant d’éléments qui vont faire la différence pour nos clients.

Aujourd’hui la concurrence est telle que les bonnes idées peuvent naître dans différents endroits quasiment au même instant, chez des concurrents. Ce qui va vraiment faire la différence, c’est notre capacité à détecter des solutions matériau innovantes et à accélérer leur maturation.

La simulation est l'un des leviers pour accélérer. Quelles sont les étapes où elle intervient ?

Il y a d’abord la phase de screening : quand on a des solutions matériau qui ont du potentiel, il faut être capable de les sélectionner rapidement, avec un minimum d’essais. On peut utiliser les approches « matériau numérique » : en fonction de la composition chimique, on est capable de prévoir un certain nombre de caractéristiques thermophysiques, chimiques, mécaniques.

Ensuite, il faut être suffisamment rapide lors de la montée en maturité, et réaliser des essais qui ne sont pas uniquement des essais matériau, mais des essais technologiques sur des pièces avec des sollicitations proches du concept qu’on a en cible. On allie la matière, le procédé, et la pièce : il s’agit de faire une optimisation globale. L’erreur serait de développer un matériau, puis de se demander comment le transformer et donc travailler sur le forgeage, pour enfin tenter de prendre en compte au bout du développement les contraintes liées à son intégration dans le produit final. Nous travaillons ces trois axes en même temps.

Quelles sont les principales performances recherchées ?

Notre cheval de bataille, ce sont les capacités en température, car les moteurs d’avion ont de meilleures performances lorsque le générateur de gaz fonctionne à une température très élevée. Nous cherchons donc à développer des alliages nouveaux, ou des techniques de mise en œuvre qui permettent d’optimiser les performances mécaniques dans ces ambiances agressives. Mais on arrive parfois au maximum des possibilités physiques. C’est notamment le cas de la turbine Haute Pression, où la température des gaz est supérieure à celle de fusion de l’alliage des aubes, mais où néanmoins la pièce bénéficie d’un refroidissement très efficace.

En quoi les partenariats académiques sont-ils importants pour Safran ?

Ces partenariats permettent notamment de mieux modéliser et ainsi d’affiner les simulations. C’est un point essentiel. Dans nos superalliages métalliques, il faut maîtriser la microstructure, parce qu’elle conditionne la durée de vie de la pièce. La microstructure au sein de ces superalliages dépend de nombreux facteurs qui ont des plages de variation qui interagissent entre eux.

Les approches de simulation sont devenues centrales dans nos métiers. Elles permettent de distinguer les paramètres-clés d’un procédé, de savoir ce qu’il faut mettre sous surveillance et ce qui a moins d’importance. La simulation s’impose partout : forgeage, fonderie, usinage, traitement de surface etc. Nous faisons en sorte que chaque étape puisse être modélisée et que surtout on puisse chaîner toutes ces étapes entre elles pour faire des boucles de conception globale.

En matière de simulation, les travaux académiques se ressourcent à un savoir scientifique que vous partagez, mais vous portez aussi de votre côté un savoir « métier », issu des pratiques. Comment se fait la rencontre ?

Prenons l’exemple de la forge : c’est un métier ancestral, et jusqu’au début des années 80, les forgerons savaient comment il fallait déformer la pièce pour avoir la bonne microstructure. Ils avaient développé des techniques comme les matrices chaudes, des stratégies de déformation, des temps de transfert maîtrisés. C’était un savoir pratique, d’une haute technicité, qui reste très précieux aujourd’hui.

Il y a une trentaine d’années, les chercheurs du CEMEF (le Centre de mise en forme de matériaux de Mines ParisTech) ont commencé à développer des modélisations sur des outils comme le logiciel Forge, et cela a permis d’accélérer des optimisations de gamme. Dans les années 1990-2000 on utilisait la simulation pour dégrossir assez rapidement quelques calculs, mais il y avait toujours des astuces sur des dépouilles, sur des temps de transfert.

On passe aujourd’hui à des simulations capables de prévoir quelle sera la taille de grain. C’est un changement significatif. La simulation a d’abord été un guide de choix de gamme, puis ensuite on l’a utilisée pour prévoir des microstructures et donc raffiner les gammes. Aujourd’hui, même s’il y a un savoir-faire métier, la simulation est devenue un outil central dans le travail des forgerons. En trente ans, l’industriel s’est approprié les outils.

Le travail académique mené au sein des chaires industrielles des Mines reste très actif, parce que les chercheurs ont toujours envie de creuser, d’avoir la bonne physique derrière les simulations. Et leur travail continue à se diffuser dans nos métiers. On savait faire des cartes de microstructure pour une pièce, d’ici quelques années on sera capable de détecter précisément le risque de créer un défaut sous sollicitation mécanique en tout point de la pièce.

Nathalie Bozzolo, qui dirige la chaire Opale financée par Safran, se félicite de pouvoir prendre trois mois pour étudier un point qui lui semble important sans être immédiatement opérationnel.

Un établissement de recherche n’est pas pour Safran un prestataire de services à qui on va confier un cahier des charges. Et parallèlement les chercheurs des Mines ne s’enferment pas dans leur labo : ils s’intéressent à notre travail, à nos pratiques métiers, proposent des solutions ou des approches que l’on peut s’approprier.

Cette rencontre entre science et industrie, entre chercheurs et ingénieurs, est passionnante parce que des enjeux forts existent des deux côtés : faire de la « bonne » recherche et faire de « bons » moteurs.

Aujourd’hui, pour être un motoriste majeur dans l’aéronautique, il faut avoir une maîtrise des concepts, mais il faut aussi bien connaître l’ensemble des procédés et des matériaux avec lesquels on va fabriquer les produits. Tout l’enjeu aujourd’hui est de transformer ces 50 ans d’expérience en un accélérateur d’innovation. Comment accélérer la maturation d’une solution matériau-procédé pour toujours avoir un coup d’avance ? Le travail mené avec les chercheurs depuis 40 ans, des chercheurs qui connaissent bien les produits, les concepts, les problématiques, tout ce travail fait partie de notre capital, de nos actifs. Il faut le poursuivre : on peut utiliser tout ce background, toute cette connaissance, pour accélérer et éviter les pièges et les difficultés que rencontreront des nouveaux entrants.

C’est un point important. Les partenariats académiques nous aident beaucoup. Parfois nous lançons des thèses, et on nous questionne sur la pertinence d’avoir une telle profondeur technique. Est-ce si important de prévoir comment va dévier la dislocation sous une sollicitation mécanique dans une ambiance oxydante ? Bien sûr que c’est important, cela participe de la connaissance de l’alliage : cela va nous aider à comprendre des phénomènes qu’on ne comprend pas encore aujourd’hui. Il faut laisser cette respiration au monde académique, lui laisser la possibilité d’explorer des pistes qui ne sont pas forcément cadrées par un besoin court terme mais qui prépare le coup d’après.

Propos recueilli par Paris Innovation Review

Cet article est un extrait de l’article original du recueil publié à l’occasion du Research Day Mines ParisTech organisé le 3 juillet à Paris : www.researchday.mines-paristech.fr