Étude numérique et expérimentale pour le développement d’un nouveau procédé de tribo-grenaillage.

Numerical and experimental study for developing new tribo-peening process

• Auteur / Autrice : Benjamin Levy
• Direction : Mohamed El Mansori, Mourad EL HADROUZ, Sabeur Mezghani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux (AM)
• Date : Soutenance le 07/06/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de thermique, écoulement, mécanique, matériaux, mise en forme, production (Valenciennes, Nord ; 2010-2014) - Mechanics surfaces and materials processing / MSMP
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (Paris ; 1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Montmitonnet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed El Mansori, Mourad EL HADROUZ, Sabeur Mezghani, Christopher A. Brown, Frédéric Lachaud, Benoît Changeux, Patrice Duhaut, Anne-Laure Beaudonnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christopher A. Brown, Frédéric Lachaud
• DOI : 10.70675/176a4a34z1e2cz4782z9383za454e048c06f

Mots clés

Mots clés contrôlés

Grenaillage (nettoyage des métaux)

Thèses et écrits académiques

Fusion multicapteurs

Mots clés libres

Tribo-Grenaillage

Fonctionnalisation de surface

Caractérisation Multi-Échelle de surface

Jumeau numérique

Tribo-Peening

Surface functionalization

Multiscale surface characterization

Digital twin

Résumé

Le grenaillage de précontrainte est un traitement de surface couramment appliqué dans les secteurs aéronautique, automobile et biomédicale afin d’améliorer les performances mécaniques des pièces. Ce traitement consiste à introduire des contraintes résiduelles de compression en sub-surface. Cependant, les avancées technologiques, accompagnées de l’évolution des matériaux, ont généré de nouvelles demandes en terme de traitement de grenaillage. En particulier, le besoin industriel d’un traitement capable à la fois d’assurer un niveau de performance mécanique suffisant tout en fonctionnalisant la surface se fait ressentir de manière croissante. L’objectif de ce travail est de montrer dans quelle mesure ce besoin peut être comblé par un nouveau traitement appelé tribo-grenaillage. Les deux fonctions visées par le tribo-grenaillage nécessitent une caractérisation des états surfaciques (fonctionnalisation) et sub-surfaciques (contraintes résiduelles) des pièces traitées. Ces états sont le résultat d’interactions mécaniques entre des médias, de nature et de forme différentes, et la surface traitée. L’approche du tribo-grenaillage consiste à contrôler ces interactions et les transferts de texture et d’énergie mis en jeu afin de maitriser la signature fonctionnelle implantée. Par conséquent, une caractérisation multi-échelle de la surface et de la sub-surface de la cible est réalisée simultanément à celle de la surface des médias. Cette étape de caractérisation repose sur l’évaluation d’une surface tribo-grenaillée élémentaire représentative de la texturation globale. Le contrôle et l’optimisation du procédé sont envisagés au travers de la mise en place d’un jumeau numérique alimenté par les données de caractérisation multi-échelle, de modélisation par éléments finis ainsi que celles issues de l’instrumentation du jumeau physique.

Shot peening is a surface treatment commonly applied in the aerospace, automotive and biomedical industries to improve the mechanical performance of parts. This treatment consists in introducing residual compressive stresses in the sub-surface. However, technological advances, accompanied by the evolution of materials, have generated new demands in terms of shot peening treatment. In particular, the industrial need for a treatment capable of both ensuring a sufficient level of mechanical performance while functionalizing the surface is increasingly felt. The aim of this work is to show to what extent this need can be met by a new treatment called tribo-peening. The two functions targeted by tribo-peening require a characterization of the surface states (functionalization) and sub-surface (residual stresses) of the treated parts. These states are the result of mechanical interactions between media, of different nature and shape, and the treated surface. The tribo-peening approach consists of controlling these interactions, the texture and energy transfers involved in order to master the implanted functional signature. Therefore, a multi-scale characterization of the target surface and sub-surface is performed simultaneously with that of the media surface. This characterization step is based on the evaluation of tribo-peened surface representative of the overall texturing, the so-called Elementary Representative Areal Surface. The control and optimization of the process are envisaged through the establishment of a digital twin fed with multi-scale characterization data, finite element modeling as well as data from the instrumentation of the physical twin.