Architecturation de tôles métalliques par optimisation topologique et traitement laser localisé

par Zhige Wang

Projet de thèse en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Justin Dirrenberger.

Thèses en préparation à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur , en partenariat avec Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux (laboratoire) et de École nationale supérieure d'arts et métiers (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2019 .


  • Résumé

    Les matériaux architecturés constituent une classe émergente de matériaux avancés offrant de nouvelles possibilités en termes de propriétés fonctionnelles, remplissant les trous des cartes de propriétés des matériaux. Le terme de matériaux architecturés décrit des matériaux hétérogènes qui présentent des propriétés spécifiques améliorées grâce à une conception réfléchie et prédéterminée de la morphologie et / ou de la topologie. Les méthodes de traitement localisées s'apparaissent comme des candidats naturels pour développer ces matériaux. Dans le cadre du projet SCOLASTIC (financé par l'ANR) visant à développer des matériaux métalliques architecturés au moyen de l'optimisation automatique et du traitement laser localisé, nous avons l'intention d'étudier le traitement thermique localisé de tôles d'aciers dual-phase et martensitiques à ultra haute résistance pour des applications dans l'industrie automobile. La mise en forme de composants dans l'industrie automobile exige que les tôles métalliques soient plus fines afin de réduire la masse des voitures, ce qui crée des nouveaux défis pour les fabricants d'acier. Bien que les aciers dual-phase répondent à ces ambitions car ils présentent une résistance élastique élevée, leur formabilité diminue lorsque l'on considère les nuances à haute résistance. Un traitement au laser localisé peut induire des martensites revenues permettant de régler localement le compromis limite d'élasticité / ductilité. L'approche développée permet une meilleure formabilité grâce à des processus basés sur la déformation plastique, comme l'emboutissage en profondeur, en ramollissant les tôles uniquement lorsque cela est nécessaire. De plus, des motifs optimisés peuvent améliorer le comportement général en fatigue et en rupture des tôles en atténuant les fissures superficielles et en ajoutant une contribution à la dissipation plastique dans l'énergie de rupture effective des matériaux architecturé.

  • Titre traduit

    Architectural design of metal sheets by topological optimization and localized laser treatment


  • Résumé

    Architectured materials are an emerging class of advanced materials that bring new possibilities in terms of functional properties, filling gaps in material performance maps . The term architectured materials describes any heterogeneous material that exhibits improved specific properties due to a thoughtful and predetermined morphology and/or topology design. Localized processing methods appear as natural candidates for developing such materials. In the context of the SCOLASTIC project (ANR funded) aiming at developing architectured metallic materials through computational optimization and localized laser processing, we intend to investigate the localized heat treatment of ultra-high strength dual-phase and martensitic steel sheets for applications in the automotive industry. The forming of components in the automotive industry requires metal sheets to be thinner in order to reduce the mass of cars, thus bringing new challenges for steel producers. Although dual-phase steels comply with such ambitions since they exhibit higher elastic strength, their formability drops when considering high strength grades. Localized laser treatment can induce martensite tempering, hence enabling the possibility to adjust locally the yield strength/ductility trade-off. The approach developed results in enhanced formability through processes based on plastic deformation, such as deep-drawing, by softening the metal sheets only where needed. Moreover, optimized patterns can enhance the overall fatigue and fracture behavior of the sheet by blunting surface cracks, and adding a plastic dissipation contribution in the effective fracture energy of the architectured material.