Il n’y a pas que l’impression 3D ! Certes, la fabrication additive « est incontestablement la plus grande rupture que connaît la mécanique des solides actuellement, avec un développement exponentiel des possibilités », reconnaît Lionel Limousy, le directeur de l’institut Carnot Mica, spécialiste des matériaux innovants, des surfaces-interfaces et des procédés associés. Par rapport aux méthodes de fabrication soustractives telles que l’usinage, l’impression 3D favorise la réalisation de géométries plus libres et complexes. Et l’impressionnante dynamique d’innovation dans ce domaine ouvre sans cesse de nouvelles possibilités, de la nano-impression à la fabrication de pièces à gradient de matériau, en passant par la multiplication des matières pouvant être utilisées. Sans compter les progrès dans des facteurs clés de production : « On peut aujourd’hui imprimer des produits avec une vitesse et une qualité inimaginables il y a encore quelques années », se réjouit Lionel Limousy. Pour autant, l’innovation en mécanique ne se résume pas à la fabrication additive, loin de là.
La R&D dans les matériaux et les procédés s’est en effet profondément transformée, aboutissant à une puissance inédite dans l’observation et la compréhension du comportement de la matière. Cette puissance, qui est d’ailleurs derrière les progrès de l’impression 3D, est le fruit de la transition numérique de la R&D en mécanique. La partie la plus visible de cette transition, c’est la simulation numérique, devenue la clé de voûte de la mécanique moderne. « Elle explore le comportement des matériaux dans des conditions variées, prédit et optimise les propriétés des nouveaux matériaux, favorisant l’innovation dans différents secteurs tels que l’aéronautique, la voiture électrique ou l’énergie », souligne Laurent Orgéas, chercheur CNRS au laboratoire Sols, solides, structures, risques (3SR) à l’Université Grenoble Alpes.
La simulation se démocratise
La simulation connaît un nouvel élan avec la construction et l’opération de jumeaux numérique, ainsi qu’avec l’utilisation de méthodes d’intelligence artificielle de type apprentissage automatique pour gagner en précision ou en rapidité de calcul. La puissance et la démocratisation de la simulation ont aussi partie liée avec un autre élément clé de la transition numérique de la R&D en mécanique : la transformation radicale des essais. « Ce sont les méthodes expérimentales particulièrement innovantes et à base d’imagerie [utilisant notamment les méthodes de corrélation d’images numériques, ndlr] qui ont probablement connu l’essor le plus spectaculaire en mécanique ces deux dernières décennies », analyse Laurent Orgéas.
On mène aujourd'hui des essais plus complexes dans les conditions les plus représentatives de l’utilisation réelle.
— Stéphane Roux, directeur de recherche au LMPS
Au point que bien des recherches conduites aujourd’hui s’appuient presque systématiquement sur une démarche alliant des caractérisations et des observations de plus en plus fines avec des modèles robustes de comportement à identifier ou à valider. Des projets conduits au Laboratoire de mécanique Paris-Saclay (LMPS) illustrent la pertinence de ces méthodes d’imagerie pour « mener des essais plus complexes dans des conditions qui soient les plus représentatives de leur utilisation réelle », complète Stéphane Roux, directeur de recherche au LMPS.
Avec ces nouvelles capacités, la mécanique repousse encore ses limites et s’attaque à de nouveaux défis. L’une de ces frontières, c’est celle de la miniaturisation extrême des pièces. À l’échelle du micron et en dessous, quand la taille des pièces et des outils est comparable à celle de la microstructure des matériaux, de nouveaux phénomènes apparaissent qui doivent être étudiés, compris et maîtrisés.
De la salle grise à la salle blanche
Une tâche à laquelle s’est attelé, à Besançon, le laboratoire Femto-ST, fort de son savoir-faire acquis dans l’horlogerie. Il travaille notamment au développement d’approches pour le passage d’une échelle à l’autre ainsi qu’à l’optimisation des outils de microfabrication. Ici, les techniques de salle grise, regroupant les procédés conventionnels de la mécanique passés à échelle réduite comme le micro-usinage et le micro-assemblage, se combinent peu à peu avec les techniques de salle blanche, des procédés chimiques issus de la microélectronique. Le spectaculaire micromoteur de la start-up SilMach, issue du Femto-ST, illustre bien le potentiel de cette hybridation des procédés de microfabrication. Il montre aussi que la vague des deeptechs, ces start-up développant des innovations technologiques souvent issues des laboratoires de recherche, touche aussi largement la mécanique.
L’hydrogène représente enfin un défi majeur pour la mécanique. En quelques années, le gaz léger s’est hissé au rang de priorité stratégique de la plupart des pays pour décarboner l’industrie et les transports, avec des financements publics massifs à la clé. Une course mondiale a commencé : start-up deeptechs comme petits et grands industriels se ruent sur la production, le stockage, la distribution et l’usage de l’hydrogène. Ce domaine combine un besoin de réduction drastique des coûts avec une exigence extrême en matière de sécurité. La mécanique se retrouve face à une mission cruciale : comprendre et maîtriser la capacité du plus petit des atomes à se glisser au cœur des matériaux et les dégradations de leurs propriétés mécaniques que cela entraîne.
Le Centre technique des industries mécaniques (Cetim) est en première ligne avec le projet HyMeet, lancé en 2022. Son laboratoire d’essais nantais accompagne les industriels de la mécanique qui se lancent dans l’hydrogène. Une étape avant la création, prévue d’ici à 2025, d’un grand espace dédié dans la zone industrialo-portuaire de Nantes. En parallèle, des start-up deeptechs s’attaquent aussi à ce défi, en développant des alternatives séduisantes au stockage et au transport du gaz léger grâce à des vecteurs solides ou liquides. Sans faire appel à l’impression 3D.
« La mécanique sera plus réactive »
Francisco Chinesta, enseignant-chercheur au laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux (Pimm)
Quelles grandes évolutions attendez-vous dans la mécanique ?
Dans la mécanique du futur, la prédiction sera centrale. Elle anticipera les défaillances et l’évolution dans le temps des pièces et des moyens de production. Il faut également devancer le comportement des matériaux, leur vieillissement et leur fragilisation. L’utilisation de l’intelligence artificielle et du machine learning accélérera ce processus en fournissant des relations entrées-sorties à partir d’énormes volumes de données. Grâce à l’introduction de jumeaux numériques dans l’ingénierie, le fonctionnement d’une pièce ou d’un système, de sa conception à son utilisation, sera suivi durant toute sa durée de vie, rendant la mécanique plus réactive et interactive.
Quels sont les besoins en termes de matériaux ?
Les besoins actuels se tournent vers des matériaux plus légers tout en gardant des performances élevées. La notion de « materials by design » devient cruciale. Elle passe de l’utilisation de matériaux simplement résistants mécaniquement au développement de nouveaux matériaux fonctionnels avec des propriétés électromagnétiques, thermiques, acoustiques... Cette évolution est motivée par les exigences de l’aéronautique, de l’automobile électrique et de l’énergie renouvelable. Chaque secteur recherche des matériaux adaptés à ses besoins spécifiques.
Qu’en est-il des procédés ?
L’innovation dans les matériaux entraîne une évolution des procédés de mise en forme. Par exemple, le développement de matériaux architecturés avec des morphologies complexes et des modes de déformation différents nécessite un outil adapté. Ce que l’on constate, d’une part, c’est l’optimisation des techniques traditionnelles comme la fonderie et l’usinage pour éviter les défauts. D’autre part, l’introduction de nouveaux procédés, en particulier la fabrication additive. Celle-ci a révolutionné la mécanique en offrant une rapidité, une stabilité et la capacité de produire des structures complexes avec divers matériaux, notamment métalliques, des polymères ou encore des biomatériaux.
