Les publications 2018 de la revue Traitements et Matériaux

Reach, des informations massives

Sur ces vingt dernières années, l’industrie européenne dans sa globalité a été confrontée à l’évolution de la règlementation autour des produits chimiques. Deux règlements européens majeurs, Reach et CLP (règlement relatif à la classification, à l’étiquetage et à l’emballage) ont modifié notre façon de travailler avec les produits chimiques, tout en harmonisant les pratiques entre les pays membres. Ces deux évolutions, bien que largement bénéfiques, présentent des points difficiles à appréhender, manipuler ou exploiter. Commençons par l’évolution la plus visible, le règlement CLP. Il est la traduction européenne du système global harmonisé (SGH ou GHS pour les anglophones) et permet aux produits importés et exportés de bénéficier d’un étiquetage et d’une documentation commune, au moins dans la forme, entre les grandes zones économiques mondiales. Cependant, il reste des particularités, entre chaque « grande » zone économique, qui peuvent encore être un frein. Il arrive notamment que le système normalisé américain d’identification des dangers vienne en substitution de l’étiquetage SGH, ce qui peut ensuite poser problème aux opérateurs européens. D’autre part, les pictogrammes sont encore souvent mal décryptés par l’ensemble de nos entreprises et surtout de leurs employés. Prenons par exemple le SGH 08 (toxique, très toxique, nocif, irritant) qui est souvent compris comme identifiant uniquement les CMR, alors que ce n’est pas le cas.
De la même façon que le CLP est venu bouleverser nos étiquetages, la mise en application simultanée du règlement Reach a révolutionné notre façon de recueillir des données. Les fabricants et importateurs ont été (et sont) obligés, durant la procédure d’enregistrement des substances, de réunir des données toxicologiques et écotoxicologiques. Il s’agit de l’inversion de la charge de la preuve : le fabricant ou l’importateur doit apporter la preuve de la classification de sa substance. Pour ce faire, un cadre normalisé a été mis en place pour la réalisation des tests nécessaires. Cette procédure dans son ensemble a favorisé une production et une diffusion de données toxicologiques et écotoxicologiques sans précédent. Ce travail conduit certaines fois à une évolution extrêmement rapide sur certains points comme les classifications en CMR de catégorie 1, 2 ou 3. Du fait de la multitude des acteurs, une molécule peut donner lieu à des classements différents et cela dans la plus parfaite transparence. Il n’est pas rare pour une substance de trouver sur le site de l’ECHA une quinzaine de classifications différentes.
Ce foisonnement d’informations, parfois contradictoires, rend le travail difficile pour les personnes en charge d’analyser les risques et donc d’autoriser ou non l’utilisation d’une substance et de préconiser les moyens de prévention nécessaires. Et nous ne parlons pas du devoir d’information que le chef d’entreprise a vis-à-vis de ses salariés… Informer sur quelle base ? En définitive, ces évolutions réglementaires constituent de grandes avancées. Cependant, toutes les entreprises n’ayant pas forcément les compétences en interne pour analyser et exploiter des données aussi complètes, on peut se demander si nous ne sommes-nous pas en train de noyer l’information réellement utile ? Sans parler du fait que certaines substances dangereuses sont pratiquement bannies des entreprises, alors que celles-ci se retrouvent utilisées comme additif alimentaire ou dans des formulations cosmétiques… ceci reste un problème sur lequel il faudra statuer.

Lionel Greffe, responsable qualité, Presi

La data science appliquée à la science des matériaux

Autonomie, intelligence artificielle… notre époque se tourne résolument vers le digital, et bruisse sans cesse de nouvelles idées. À mon sens, la dernière révolution technologique majeure a été celle de l’avènement d’Internet et des réseaux rapides, qui permet à ces nouvelles idées de se diffuser extrêmement rapidement et de toucher l’utilisateur final, donc nous tous – consommateurs finaux – au plus vite. La place qui m’est donnée ici ne me permet pas de lister toutes les applications, citons, bien sûr, les réseaux sociaux, les plateformes d’achat en ligne qui analysent notre comportement pour nous influencer au mieux, mais aussi d’autres cibles, par exemple les véhicules modernes, qui collectent des données, là aussi pour orienter notre comportement, le tout à base de « réseaux de neurones », concept en vogue.
Ces fameux « réseaux de neurones » et les algorithmes d’apprentissage associés, ont connu des révolutions récentes majeures qui ont permis de lever des verrous technologiques et résoudre des problèmes qu’on pensait jusque-là inatteignables (analyse d’image, de comportement…). Notons toutefois que le concept n’est, lui, pas nouveau, mais date de plus de 30 ans. Simplement, à l’époque, les moyens de calculs, les réseaux, ne permettaient pas d’envisager des utilisations pertinentes. Les bases de données – énormes – nécessaires à leur recalage n’étaient par ailleurs pas aussi développées. Données : le mot est lâché, tout est question de données, d’où qu’elles viennent. Notre taux de production de données est exponentiel, qu’il s’agisse de données expérimentales (i.e. toute donnée relevée sur un système réel) ou numériques (i.e. toute donnée produite par un modèle numérique mimant une certaine réalité). Exploiter au mieux ces données passe par une collaboration la plus intelligente possible entre des modèles de physique numérique traditionnels (souvent représentés par un système d’équations aux dérivées partielles) et des modèles statistiques – pour utiliser un mot à la mode : la data science — qui visent à défricher et organiser des corrélations dans des océans de données apparemment non structurés. C’est ce que de nombreuses équipes cherchent à faire dans des programmes divers axés sur « l’IA pour les systèmes de conception ». Appliqué à la science des matériaux, cela peut donner naissance à des systèmes de conception « materials by design » où ces corpus de données, associés à la connaissance fine des lois d’évolution physique des microstructures, permettent de créer automatiquement des nuances répondant à des objectifs applicatifs précis (tenue au fluage, conductivité thermique ou électrique, masse volumique…). Le chemin est encore long, mais nous sommes à l’aube d’une nouvelle ère qui nous livrera des outils d’autant plus pertinents qu’ils reposeront sur un couplage intelligent entre tous ces « modèles » différents.

Frédéric Feyel, directeur modélisation et simulation

Continuité numérique : de la caractérisation au contrôle qualité de pièces

Les procédés de traitement thermochimique par lot sont encore pour beaucoup d’acteurs industriels en pointe, des gages de précision et de rapidité, même s’ils imposent de procéder, pour des questions de traçabilité, à des contrôles par échantillonnage souvent destructifs et onéreux à mettre en œuvre. Pour ces types de traitement par lot, le contrôle destructif - effectué a posteriori - représente le seul moyen de retracer l’historique de traitement auquel la pièce issue du lot a été soumise. Mais qu’en est-il vraiment des autres pièces de ce même lot ? Les technologies de chauffage par induction sont réputées pour leur précision, leur rapidité et leur répétabilité, satisfaisant parfaitement aux exigences de la production par lot ou à l’unité… Elles permettent de développer des machines de traitement de pièces à moindre coût et à faible impact environnemental. Elles permettent en outre de traiter de manière individualisée chaque pièce produite, et d’en conserver l’historique, ouvrant ainsi la voie du contrôle temps réel - non destructif - à 100 %, pour peu que l’on sache interpréter les données de traitement. Ces données peuvent être interprétées en combinant les données issues de trois outils. Le banc de caractérisation électromagnétique permet de suivre l’évolution des propriétés électromagnétiques d’un échantillon soumis à un cycle de traitement thermique. Ces changements de propriétés électromagnétiques – signes de changements structure métallographique - induisent des variations sur les grandeurs électriques nécessaires pour alimenter le système de chauffage par induction pendant le cycle thermique.
La simulation électromagnétique et thermique permet de définir avec précision les zones de transfert d’énergie en fonction de la géométrie de la pièce de l’évolution des propriétés électromagnétiques. Le monitoring des grandeurs électriques alimentant le système chauffage par induction pendant le traitement thermique donne des informations précises sur les transformations de l’état cristallin de chaque pièce traitée, et permet d’en extraire des données venant compléter les relevés de température et de durée de traitement, souvent jugés insuffisants pour garantir à eux seuls la qualité des pièces traitées. Après avoir prédit et dimensionné les moyens d’obtenir une production de qualité, les remontées d’informations permettent d’assurer une traçabilité du procédé, d’en fiabiliser et d’en optimiser le modèle de simulation, et constituent sa continuité numérique.

Gilles Cornec, président, Fives Celes

Retour à Bordeaux pour le Congrès de l’A3TS

Le congrès A3TS, et le salon SVTM qui lui est étroitement associé, reviennent à Bordeaux, douze ans après la dernière édition tenue en cette région connue maintenant sous le nom de la Nouvelle-Aquitaine. Ces événements vont drainer un nombre record de congressistes, exposants et visiteurs qui pendant deux jours vont trouver à Bordeaux des conditions d’accueil exceptionnelles. L’A3TS est heureuse de contribuer au rayonnement technologique et industrielle de cette région qui a su créer une dynamique de filière avec une vision à long terme associant industriels, recherche, enseignement-formation et pouvoirs publics.
Le traitement des matériaux se trouve au carrefour de multiples filières industrielles : les transports (aéronautique, automobile, ferroviaire, naval), l’énergie, la défense, les biens d’équipements pour la chimie, la mécanique, la santé.... Les objectifs technologiques poursuivis par ces filières relèvent des grands enjeux de société : réduire la dépendance énergétique de nos économies et les diverses empreintes environnementales, réduire la demande de matériaux primaires et favoriser le recyclage, améliorer la sécurité des systèmes, contribuer à l’amélioration de la santé. L’innovation dans les matériaux et les technologies de mise en œuvre est un levier d’action essentiel, complémentaire des technologies numériques, pour relever ces défis. La mise au point de matériaux innovants, de nouveaux procédés de mise en forme, de traitements thermiques adaptés, de solutions de fonctionnalisation de surface sont des composantes clés des stratégies technologiques des acteurs de ces filières.
Compte tenu de la diversité des technologies ainsi sollicitées, l’A3TS a décidé pour cette édition 2018 d’augmenter très significativement le nombre de conférences proposées dans le programme du congrès, avec plusieurs sessions spécialisées. De très nombreuses propositions nous sont ainsi parvenues et ont permis de proposer un programme très riche. Dans le même temps, nous avons dû refuser certaines demandes d’exposants au salon SVTM, les espaces du palais des congrès de Bordeaux ayant été réservés dans leur totalité très tôt. Nous nous excusons auprès des industriels que nous n’avons pu satisfaire, nous en tiendrons compte pour le futur et travaillons à pouvoir accueillir un nombre accru d’exposants dans l’édition 2019 qui se tiendra à Lille. Échanges interdisciplinaires, catalyseur des collaborations recherche-industrie, compréhension et partage des enjeux futurs, benchmark entre filières sont les clefs pour les réussites industrielles. Ces éléments font partie de l’ADN de l’association A3TS et nous sommes certains que le Congrès A3TS et SVTM Bordeaux 2018 sauront une fois de plus le démontrer. Je vous souhaite au nom du conseil d’administration de l’A3TS un excellent congrès et de fructueuses rencontres. Je remercie Traitements & Matériaux, partenaire fidèle de l’A3TS et relais incontournable de notre politique de diffusion de l’information scientifique et technologique.

Pierre Bruchet, président de l’A3TS

Objectif industrie 4.0

Les procédés de trempe des alliages métalliques représentent une étape importante dans le cycle de production de pièces pour les industries automobile, nucléaire et aérospatiale. Un cycle de refroidissement optimisé est une garantie de respecter le cahier des charges concernant les propriétés mécaniques et le contrôle de leur microstructure. Il devient essentiel pour de nombreuses industries de mieux maîtriser ces procédés et la complexité de leurs environnements. Il s’agit d’obtenir les propriétés métallurgiques requises telles que dureté ou limite d’élasticité ou de concevoir de nouveaux matériaux aux performances accrues tout en respectant les contraintes métallurgiques d’homogénéité et de fiabilité et raccourcissant les délais de fabrication. La simulation est l’outil qui peut répondre aux besoins et contraintes. Pour autant, la simulation du procédé de trempe est extrêmement difficile. Elle doit prendre en compte de très nombreux paramètres : le changement de phase liquide-gaz, les écoulements multiphasiques et les films de vapeurs, le transfert thermique liquide-gaz-solide, la présence régulière d’agitateurs autour des pièces dont la géométrie est complexe. Une modélisation numérique multi-échelle précise permettant une compréhension détaillée de l’hydrodynamique du couple vapeur/fluide de trempe et de son impact sur le refroidissement de la pièce devient un besoin majeur. Et il n’y a actuellement aucun outil sur le marché qui le fasse. C’est l’objectif que s’est fixé la chaire ANR industrielle INFINITY. Les partenaires impliqués sont convaincus que cette percée requiert en premier lieu le développement d’une stratégie numérique unifiée basée sur le calcul intensif et les éléments finis adaptatifs, assortie de validations expérimentales dans des conditions bien définies et contrôlées pour passer dans un second temps à la mise en place d’une stratégie de simulation directe des écoulements multiphasiques complexes. La chaire INFINITY contribue par une stratégie à long terme au développement d’un outil numérique de haute-fidélité de simulations fiables des procédés de trempe. Il permettra aux partenaires industriels impliqués dans le projet (Arcelor Mittal, Aubert & Duval, Cefival, CMI, Faurecia, Framatome, Industeel, Lisi Aerospace, Montupet, Safran, SCC et Transvalor) de lever plusieurs verrous techniques majeurs, de fournir un outil rapide d’aide à la décision pour des pièces de haute qualité, et d’optimiser ainsi les procédés de trempe.

Elie Hachem, professeur à MINES ParisTech, PSL, titulaire de la chaire industrielle ANR Infinity, responsable de l’équipe de recherche CFL au Cemef - CNRS UMR 7635.

Relever les défis du XXIe siècle grâce aux traitements et revêtements de surface

Les traitements et revêtements de surface constituent actuellement un des moyens essentiels pour améliorer les propriétés fonctionnelles des métaux. Ils constituent en France environ 15 % de l’activité des services industriels du travail des métaux et représentent selon l’UITS environ 30 000 personnes en ne comptant que les ateliers non intégrés. On les rencontre dans de nombreux domaines de l’industrie, allant de la mécanique à l’industrie des transports (aéronautique, automobile, ferroviaire) en passant par le secteur médical, la bijouterie et la connectique. Ce secteur subit depuis deux ou trois décennies une profonde mutation technologique provoquée par de nouvelles exigences techniques et règlementaires ou par de récents développements industriels. On citera notamment l’augmentation de la fiabilité et de la durabilité des pièces traitées, le besoin de matériaux nouveaux, l’apparition de nouveaux procédés liés au développement de la microélectronique et de nouveaux concepts comme l’ingénierie de surface et l’application de textes réglementaires. Il existe en effet une très grande variété de techniques dont certaines, et non des moindres, sont actuellement menacées par l’évolution des normes européennes sur le plan environnemental, ainsi que par la mise en place progressive de nouvelles réglementations. Ces directives ont entraîné une évolution substantielle des techniques utilisées pour l’élaboration de nombreux revêtements et couches de conversion pour des usages fonctionnels comme le chromage dur, les traitements de conversion sur alliages d’aluminium et le chromage décoratif.
Compte tenu des exigences croissantes sur la fiabilité et la durée de vie des composants, l’un des problèmes majeurs au cours des prochaines années pour les traitements de surface et les revêtements va concerner leur aptitude à répondre à plusieurs types de sollicitations simultanées, aussi bien mécaniques que physiques et chimiques. La dernière décennie a vu, pour répondre à ce type de sollicitations, un développement considérable des revêtements multicouches, voire nanocouches, avec alternance de propriétés mécaniques et chimiques.
Dans le domaine de l’ingénierie des surfaces, la simulation numérique est devenue un outil indispensable pour optimiser les propriétés mécaniques des pièces via les microstructures tout en maîtrisant les contraintes résiduelles et les déformations. L’établissement de modèles prévisionnels associant les aspects thermodynamiques, hydrodynamiques et cinétiques du milieu réactionnel dans les dépôts en phase vapeur et la modélisation des transferts d’énergie plasma-matière dans les procédés plasmas sont actuellement en pleine évolution pour permettre un parfait contrôle de l’homogénéité et de la composition chimique des dépôts. En permettant la conception et la réalisation de produits nouveaux ou en améliorant la durabilité, la qualité et la fiabilité des produits existants, les revêtements et traitements de surface sont actuellement incontournables et à ce titre, ils doivent être intégrés dans tout processus d’élaboration, dès les premiers stades de la conception d’un produit. Cela nécessite une approche multidisciplinaire facilitée par le développement d’outils de choix et d’aide à la décision avec analyse du cycle de vie suffisamment ajustés pour guider l’applicateur dans sa démarche. Cette approche sous la forme de systèmes experts constitue maintenant la voie de développement des méthodes d’aide au choix des traitements et revêtements de surface.

Robert Lévêque, président d’honneur du CEM, École des Mines de Saint-Étienne.