Juillet 2006 - n°112
Le Centre des Matériaux de l’Ecole des Mines de Paris inaugure de nouveaux équipements scientifiques
Le Centre des Matériaux de l’Ecole des
Mines de Paris a inauguré, le 2 février dernier, de nouveaux
équipements scientifiques : un microscope électroniqueà
transmission, une machine de traction à grande vitesse et un calculateur
parallèle.
La journée a débuté par une allocution de M. Benoît
LEGAIT, Directeur de l’Ecole des Mines de Paris, puis s’est centrée
sur la présentation du Centre des Matériaux et la visite de
ses nouveaux équipements, avant d’ouvrir le débat sur
l’orientation de ses recherches.
Un événement qui a également été l’occasion
de rencontrer le nouveau Directeur du Centre, M. Esteban BUSSO, précédemment
Professeur associé à l’Imperial College de Londres…
La concrétisation du concept de recherche
« orientée » vers l’Industrie…
A sa création en 1967, le Centre des Matériaux de l’Ecole
des Mines de Paris est localisé sur le site de la SNECMA (Société
Nationale d’Etude et de Construction de Moteurs d’Avions, groupe
SAFRAN), à Evry-Corbeil (91). ). Installé dans de nouveaux bâtiments
en avril 1993, il n’en reste pas moins à proximité du
cosntructeur, qui est un de ses principaux partenaires de recherché,
il représente la première concrétisation du concept de
recherche « orientée » vers l’Industrie, très
tôt formulé par l’Ecole des Mines de Paris pour renforcer
ses relations avec le monde de l’Entreprise.
Les travaux du Centre des Matériaux de l’Ecole des Mines de Paris
concernent principalement les matériaux de structure utilisés
dans les secteurs de l’aéronautique, l’énergie,
l’automobile et la mécanique.
Ses études portent également sur les matériaux possédant
des propriétés ou des morphologies spécifiques, pour
la génération et le stockage de l’énergie, les
applications émergentes des nanomatériaux, les filtres et systèmes
catalytiques pour moteurs thermiques, ou encore, les composants pour l’électronique
et l’opto-électronique. Le Centre travaille en collaboration
avec de grands groupes industriels nationaux et internationaux comme avec
les PME-PMI.
Des ressources à la hauteur de ses missions…
Les activités du Centre des Matériaux de l’Ecole des Mines
de Paris relèvent de trois grandes missions :
- une mission de formation de second cycle et de troisième cycle universitaires
en sciences et techniques des matériaux (ingénieur, mastère
recherche et mastère spécialisé, doctorat et formation
continue ),
- une mission de recherche, étroitement associée à son
activité de formation. Le Centre est une unité mixte de recherche
du CNRS (UMR 7633). C’est un établissement de référence
internationale dans son domaine de compétences,
- une mission de valorisation des résultats de ses recherches. L’importance
de cette activité s’illustre à travers les ressources
du Centre dont la moitié résulte de contrats de recherche impliquant
des partenaires industriels français et internationaux. Cette activité
inclut le dépôt de brevets, la cession de licences et le développement
et la commercialisation de codes de calcul.
La renommée du Centre s’est établie grâce à
la complémentarité de ces trois missions qui lui a permis de
former plus de 500 ingénieurs et docteurs, pour la plupart, employés
dans les entreprises industrielles…
Pour mener à bien ses objectifs, le Centre dispose d’un ensemble
important d’équipements d’élaboration, d’analyses
microstructurales, d’essais mécaniques et de calcul numérique,
servi par un personnel qualifié. Son effectif actuel compte plus de
165 personnes, dont 26 enseignants-chercheurs et 47 Ingénieurs-techniciens-administratifs,
65 doctorants, 16 post-doctorants ou visiteurs étrangers et 11 étudiants
en Mastère.
Notez que certains matériels du Centre sont attachés à
une équipe de recherche, mais la majorité est placée
sous la responsabilité d’une équipe technique. Ces équipes
techniques représentent plus d’une trentaine de personnes (ingénieurs,
techniciens, ouvriers et administratifs), qui au-delà de la gestion
et de la mise à disposition du matériel assurent aussi le développement
de nouveaux dispositifs expérimentaux, les activités de formation
ainsi que des prestations et expertises, en particulier pour les PME…
Citons l’exemple de l’équipe Analyses, Microscopies, Images
qui regroupe les moyens communs d’observation et d’analyse du
laboratoire. La compétence, l’expérience et le professionnalisme
de son équipe, alliés à un parc de matériel performant,
permettent de supporter l’ensemble de l’activité de recherche
du Centre tout en répondant aux besoins des entreprises en science
des matériaux :
=> préparation et observations métallographiques,
=> caractérisation des structures, de la morphologie et de la composition
par microscopie électronique et microanalyse X,
=> identification de phases par radiocristallographie,
=> morphologie mathématique appliquée à l’analyse
et à la simulation d’images 2D et 3D directement utilisables
pour la simulation numérique des matériaux.
Parmi les équipements inaugurés
: un microscope électronique en transmission
Le Centre des Matériaux a bénéficié depuis plusieurs
années d’une aide décisive du Conseil Régional
d’Ile-de-France et du Conseil Général de l’Essonne,
pour moderniser ses équipements scientifiques.
Trois instruments, en particulier, ont pu être acquis grâce à
ce soutien :
- un microscope électronique à transmission, en partenariat
avec l’INSERM et GENOPOLE,
- une machine d’essai de traction à grande vitesse,
- un cluster de PC hautes performances donnant accès au domaine du
calcul intensif.
Intéressons-nous tout particulièrement au nouveau microscope
électronique à transmission, désormais intégré
au pôle commun de microscopie et d’imagerie, constitué
à Evry par l’Ecole des Mines de Paris, le Génopole et
l’Inserm. Ce microscope est un Tecnai F 20 ST de chez FEI, opérant
à 200 kV. Le Centre des Matériaux de l’Ecole des Mines,
au sein duquel il est installé, en assure la gestion et la maintenance
courante, et s’est vu confier la formation des utilisateurs. L’activité
« Biologie » et l’activité« Physique des Matériaux
» se partagent le temps d’utilisation du microscope à raison
de 50 % chacune.
Notez que le concept des microscopes Tecnai est axé sur la complète
intégration numérique de tous les signaux collectés par
les détecteurs de la colonne. Les images ou analyses d’un même
échantillon peuvent ainsi être acquises simultanément
par les détecteurs STEM (Transmission en Balayage) en fond noir et
fond clair, EDX (analyse X), ELS.GIF (spectrométrie de pertes d’énergie
/ filtrage en énergie), HAADF (contraste de numéro atomique),
caméra vidéo ou CCD, et être visualisées sur le
même écran.
Cet appareil, équipé d’un canon à émission
de champ (FEG), est particulièrement bien adapté à l’analyse
chimique élémentaire EDX, y compris des éléments
légers grâce à une sonde électronique très
fine et très brillante qui permet de sonder les matériaux à
l’échelle du nanomètre. Doté d’une excellente
résolution en énergie, le spectromètre de Pertes d’énergie
des électrons (ELS) permet également d’accéder
à la liaison chimique et, dans certains cas, à la mesure de
propriétés locales (fonction diélectrique, indices optiques).
Couplée à un système de filtrage en énergie (GIF),
elle offre la possibilité d’acquérir des cartographies
chimiques en temps réel.
Le Tecnai F 20 ST s’impose donc comme un appareil polyvalent, répondant
parfaitement aux demandes courantes des biologistes et des physiciens des
matériaux. Ses caractéristiques principales sont cependant plutôt
tournées vers l’analyse chimique élémentaire à
l’échelle nanométrique et permettent, pour ce qui concerne
les applications en science des matériaux, de répondre aux demandes
actuelles du Centre des Matériaux, tout en abordant les matériaux
de demain.
En liaison avec les chercheurs du Laboratoire et leurs partenaires extérieurs,
ce microscope joue et jouera un rôle déterminant, notamment pour
cinq axes de recherche majeurs : le développement de nouveaux alliages,
les structures et propriétés des interfaces, la corrosion et
la protection des matériaux, les assemblages et multimatériaux,
les nanomatériaux…
Le cluster de PC
Le cluster comporte 160 processeurs de type Opteron (64bits), et dispose au
total d’une mémoire vive de 500 Goctets, et de 4 Toctets de stockage.
Loin des plus grosses machines mondiales, il se situe néanmoins probablement
parmi les 5 à 10000 plus performante. Il constitue avant tout une ouverture
sur le domaine du calcul intensif, en permettant aux chercheurs de développer
les outils nécessaires, et leur donnant accès au club plus fermé
des très grosses machines de production.
Le mot-clé du projet d’acquisition de cetéquipement est
interaction ; trois axes sont prioritaires :
– L’intégration calcul-expérience ; elle a trois
objectifs : fournir des modèles performants pour interpréter
des expériences, améliorer et valider les modèles numériques
par assimilation des données expérimentales, assurer la fiabilité
et la robustesse des outils de prévision et d’analyse de risque.
– L’interaction entre les échelles, et la simulation transdisciplinaire.
Ici deux aspects coexistent : intégrer aux modèles de matériaux
et de structure une représentation réaliste de leur environnement
physique au sens large, quantifier les phénomènes à plusieurs
échelles en espace et en temps , allant des temps caractéristiques
des structures internes des matériaux jusqu’à l’évolution
à long terme des ouvrages. Les recherches correspondantes s’effectuent
dans le cadre du développement des « calculs de microstructures
» hétérogènes et/ou discrètes.
– Le travail coopératif en réseaux ; deux points sont
essentiels : faire communiquer au travers d’un réseau : les personnes,
les codes de calcul et les ordinateurs dans le dessein d’accroître
et de mieux diffuser les connaissances ; se doter d’une envergure européenne
en termes de potentiel de recherche et de puissance d’analyse.
COUPLAGES SIMULATION-EXPERIENCE
Les travaux réalisés au sein de la communauté francilienne
de mécanique dans le domaine de la microscopie électronique,
l’IRM, les sciences des matériaux et de la dynamique des structures
ont montré l’apport significatif du calcul intensif dans la définition
et l’interprétation des expériences. Les besoins en termes
de traitement et de stockage et de visualisation ont décuplé.
Il est urgent d’y répondre surtout si l’on souhaite dans
le futur, réaliser des essais expérimentaux sur des composants
en simulant en temps réel leur environnement de service. La simulation
d’objets et de scénarii complexes faisant intervenir différents
modèles physiques à différentes échelles est un
enjeu majeur. En termes de simulation numérique, les recherches ont
deux objectifs complémentaires :
– disposer de modèles performants pour simuler chaque phénomène
à toutes leséchelles,
– coupler ces différents modèles entre eux sans les dégrader.
SIMULATIONS TRANSDISCIPLINAIRES
Les calculs de microstructures constituent un domaine qui est particulièrement
étudié au Centre des Matériaux. Les approches multi-échelles
permettent, en utilisant une information de l’échelle microscopique
dans un modèle souvent complexe et lourd à utiliser, de calibrer
le modèle à l’échelle supérieure, dont l’emploi
pourra être envisagé avec sérénité dans
des calculs industriels. Le chercheur a ainsi à sa disposition une
boîte à outils numérique, grâce à laquelle
il peut trier dans les différents modèles macroscopiques,établir
des rapports «qualité/prix», et décider quels sont
les meilleurs modèles dans une situation donnée (température,
chargement, type de matériau). Il s’agit d’une véritable
ingénierie des lois de comportement, qui devrait être développée
de façon systématique, en particulier pour les matériaux
nouveaux (mousses, composites,...).
SIMULATION EN RÉSEAU
La mise en commun sur certaines applications des moyens de calcul de laboratoires
partageant des thématiques scientifiques, mais géographiquement
distants et institutionnellement séparés, ne peut se concevoir
sans des débits rendant l’éloignement imperceptible. Cette
proximité, maintenant effective avec les réseaux haut débit,
est un atout essentiel pour favoriser l’émergence d’une
plate-forme régionale. Elle permet de créer un lieu privilégié
d’échanges entre les acteurs et les outils des différentes
disciplines. Fondée sur l’interconnexion en réseau de
serveurs dédiés, l’architecture matérielle de la
plate-forme est à l’image de l’architecture logicielle
présentée. Elle est volontairement complémentaire des
centres de ressources généralistes. Le but est non seulement
de préserver l’efficacité, la disponibilité et
l’évolutivité des matériels, mais aussi de renforcer
la responsabilité et l’implication des acteurs vis-à-vis
des outils informatiques mis à leur disposition. Parallèlement,
grâce au support technique disponible sur différents sites et
du fait de contraintes de service plus faibles que dans des centres nationaux,
la forte interconnexion autorise la mobilisation de l’ensemble des ressources
sur des études ponctuelles nécessitant des puissances importantes.
Ce mode de fonctionnement, mixte, offre de plus la possibilité d’aborder
en vrai grandeur un des enjeux essentiels du calcul parallèle : l’efficacité
des algorithmes à répartir dynamiquement la charge sur plusieurs
machines parallèles reliées en réseau. L’objectif,
à terme, est de mêler efficacement ces deux modes de fonctionnement
et de les rendre transparents aux utilisateurs.
UNE MACHINE DE TRACTION A GRANDE VITESSE
Le développement d’une plate-forme d‘essais mécaniques
sous sollicitations rapides au Centre des Matériaux s’inscrit
dans le contexte d’une croissance de la demande d’essais à
grandes vitesses par nos partenaires industriels, tels que l’industrie
automobile et ses sous traitants (Renault, PSA, Plastic Omnium, etc), aéronautique
(EADS, Airbus), de l’énergie et du transport (EDF, Europipe,
Total, Institut Français du Pétrole, Atofina, Coflexip, etc).
L’ambition affichée est d’une part, la réduction
du temps nécessaire pour la phase de développement d’un
nouveau produit, et d’autre part une meilleure prédiction de
la fiabilité et de la durabilité , ceci à partir du développement
d’outils de simulation prédictifs, permettant pour les différents
composants le choix des matériaux en fonction de la sollicitation mécanique
appliquée Le développement de ces outils de simulation passe
par une étape indispensable qui est la caractérisation expérimentale
et la modélisation du comportement des différents matériaux.
Beaucoup d’applications requièrent la connaissance du comportement
des matériaux pour une gamme de vitesse de déformation allant
de 0.01 jusqu’à quelques centaines de s-1. On peut citer en exemple
la sollicitation de type « crash-test « dans l’industrie
automobile. La non-linéarité de la relation comportement vitesse
de déformation ne permet pas d’extrapoler sans risque la réponse
quasi-statique des matériaux et nécessite une détermination
expérimentale. C’est pour répondre à ce besoin
industriel fort qu’un moyen de caractérisation expérimentale
spécifique a été développé au centre des
Matériaux, couplé à une thématique de recherche
sur les lois de comportementélastoviscoplastiques des matériaux.
Famille de matériaux étudiés : De part son savoir faire
et la diversité de ses thèmes de recherche, le Centre des Matériaux
possède une grande expérience dans la modélisation du
comportement des matériaux métalliques, des composites, des
plastiques et des mousses polymères ou métalliques. À
ce jour, la modélisation du comportement des matériaux métalliques
et des composites sous sollicitations rapides représente une part importante
des travaux réalisés sur cetéquipement.
SD