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