Thèse CIFRE - Laminage F/H/X

C-TEC RECRUTE

Contrat thèse CIFRE F/H/X

Constellium est un leader mondial du développement et de la fabrication de produits et de solutions en aluminium à haute valeur ajoutée pour un large éventail de marchés et d'applications, se concentrant en particulier sur l'aérospatiale, l'automobile et l'emballage. Constellium, c’est également près de 12 000 employés dans le monde.
Nous nous engageons à minimiser l'impact de nos opérations sur l'environnement notamment en réduisant de 30% l’intensité de nos émissions de gaz à effet de serre en 2030. Dans notre entreprise, la sécurité est primordiale, c'est une de nos valeurs fondamentales sans compromis. Notre Centre de Recherches et de Technologie, C-TEC Constellium Technology Center, basé à Grenoble (Voreppe – 38), emploie environ 240 personnes. 

En rejoignant notre entreprise, vous découvrirez une entreprise multiculturelle (plus de 18 nationalités) qui s'engage pour la diversité et le bien-être de ses collaborateurs. Vous découvrirez aussi un centre de R&D riche par son expertise et par la bienveillance de ses salariés.

TITRE DE LA THESE :
"Modélisation tribologique du laminage à froid d’alliages d’Aluminium"  
Mines Paris, CEMEF, Sophia Antipolis
 

La thèse s'inscrit dans le cadre d’un partenariat académique entre plusieurs entreprises du secteur de la métallurgie et les Mines de Paris. Le sujet de la thèse concerne un des aspects fondamentaux du laminage à froid, avec de nombreuses applications industrielles : la modélisation du frottement entre les outils (les cylindres de laminage) et la pièce à mettre en forme.

Le laminage à froid a plusieurs objectifs :  réduire l’épaisseur, augmenter les propriétés mécaniques et développer un état de surface apte à l’application. Le laminage étant un procédé à outils moteurs (les cylindres), le coefficient de frottement ne doit donc pas descendre trop bas. Pour gérer ces contraintes, on utilise des huiles dont la viscosité est choisie pour faire travailler l’interface dans le régime mixte de lubrification. Il y a donc une composante hydrodynamique du frottement, mais aussi une composante chimique, de régime limite, au pro rata de l’aire réelle de contact. 
 

Un modèle de lubrification mixte a été développé au cours d’une précédente thèse et il est couplé à un modèle de laminage [1]. Il détermine le niveau de frottement mais à travers la donnée « arbitraire » d’un coefficient de frottement représentatif des zones en contact limite. C’est une limitation majeure de la prédictivité de ce modèle et c’est l’objectif de cette thèse que de la repousser. 

Objectif de la thèse :
 

L'objectif de la thèse est la modélisation du régime de lubrification lors du procédé de laminage à froid de tôles, en se focalisant sur l’effet de la température au niveau du contact entre la tôle et l’outil. Par exemple, la température a un impact fort sur le comportement des éléments qui constituent le lubrifiant, ainsi que sur l’endommagement des surfaces (lors d’un transfert adhésif [2] qui peut donner des rugosités et des couches particulières).

L’objectif de la thèse est d’améliorer la modélisation du frottement, en faisant appel à des domaines scientifiques très divers. 
Ces avancées scientifiques permettront d’optimiser les paramètres du procédé du laminage à froid, pour garantir au produit des propriétés optimales, tout en limitant les efforts sur les laminoirs. 
La réalisation de cet objectif passera par un couplage fort entre un travail expérimental de mesure et de caractérisation (sur laminoir pilote au centre de R&D de Constellium et sur tribomètre au laboratoire du CEMEF) et un travail de modélisation à travers le développement d’un programme informatique.
 

Partie expérimentale : de l’importance de la température
 

Comme le frottement limite dépend de la température, un modèle de régime limite doit comporter un calcul efficace et précis des cartes de température au voisinage de l’interface, tant du côté tôle que du côté cylindres. 
 

D’autre part, la montée de la température est un des facteurs déclenchants du phénomène de transfert adhésif [2] formant une couche épaisse et rugueuse sur les cylindres, qui entraîne à son tour une dérive majeure du frottement qui interdit des conditions stables de laminage.  

La détermination expérimentale de la température en laminage se fera sur un des laminoirs de prototypage de Constellium.

Ce laminoir permet de reproduire le comportement des laminoirs industriels à échelle réduite, 
 

La mise au point d’un protocole expérimental (destiné à alimenter le modèle et à le valider sera à mener). La mesure de température présente sur le laminoir sera un paramètre clé.

Partie modélisation : vers un coefficient de frottement robuste
 

Le travail ici consiste à améliorer le logiciel existant, d’un point de vue théorique et numérique.
 

Il permet par exemple de prédire l’évolution de l’aire de contact ou du coefficient de frottement en fonction de la vitesse de laminage. La vitesse est un paramètre clé du laminage, notamment pour des raisons évidentes de productivité : être capable d’aller vite tout en garantissant les propriétés est un axe majeur d’amélioration.

Le programme de travail comporte : 
1)    La modélisation thermique couplée bande – cylindre, sachant que la déformation plastique de la bande est la source de chaleur principale, et le frottement à l’interface la source secondaire. Une attention particulière sera portée à la validation, par des mesures sur laminoir pilote. 

2)    La refonte du modèle de lubrification, de son organisation informatique, en vue d’une plus grande robustesse et efficacité. 

3)    Sur la base des résultats précédents (épaisseur de film lubrifiant, de la température de surface et d’un modèle simple d’endommagement de surface), une analyse du transfert adhésif à l’instar de [5], Cette dernière servira, à l’aide de modèles tribologiques adéquats entre surfaces rugueuses [6], à déterminer la composante « limite » du frottement dans le cas où les conditions critiques de formation de la couche de transfert sont atteintes. 

4)    L’ensemble de ces modèles et conclusions fera l’objet d’expériences de validation comportant des essais tribologiques en laboratoire, des essais sur laminoir pilote doté des mesures nécessaires, en particulier thermiques, et de l’analyse de mesures en production. 

Les travaux proposés se placent donc au carrefour de la thermique du système bande-cylindre, de l’adhésion métal-métal en contact lubrifié, de la théorie de la lubrification et de la modélisation en tribologie. 

Les laboratoires :

La thèse se déroulera principalement au CEMEF situé à Sofia Antipolis, sous la direction de Pierre Montmitonnet, Directeur de Recherches CNRS (HDR), Imène Lahouij, Chargée de Recherches Ecole des Mines de Paris, Frédéric Georgi, Ingénieur de Recherches CNRS.

La thèse est financée par la société Constellium, qui demande un financement CIFRE auprès de l'ANRT. Elle se déroulera en étroite interaction avec le C-TEC, le laboratoire central du groupe situé à Voreppe, près de Grenoble. Des séjours prolongés au sein de C-TEC auront lieu tout au long de la thèse, sous la direction d’Ariane Viat, ingénieure spécialisée en lubrification, Vincent Duhoux, ingénieur spécialisé en thermique, Alexandre Barthelemy, ingénieur référent laminage.

PROFIL souhaité :
•    Diplôme d'ingénieur (science et génie des matériaux, physique, chimie, ...)
•    Des compétences en Mécanique, Modélisation numérique, Programmation (des connaissances en Fortran ou en C/C++ sont un plus).
•    Une formation en tribologie serait appréciée
•    Rigueur et capacité à s’investir pleinement dans un sujet.
•    Bonnes capacités en communication écrite et orale en Français comme en Anglais
•    Aptitude au travail en équipe.
•    Capable d'échanger et de collaborer activement avec des partenaires internes (Constellium) et externes
•    Capable de travailler dans une équipe multi-culturelle et multi-disciplinaire
 

Date de début :  dès septembre 2023
Durée : Thèse de 3 ans

Pour toute informations complémentaires, vous pouvez contacter Alexandre Barthelemy : 
alexandre.barthelemy@constellium.com

Références bibliographiques :
[1] N. Marsault, P.Montmitonnet, P. Deneuville, P. Gratacos: Un modèle de laminage lubrifié en régime mixte. Revue de Métallurgie - Science et Génie des Matériaux 98, 5 (Mai 2001) 423-433
[2] P. Montmitonnet, E. Felder: Usure, transfert et conséquences. De l'observation à la modélisation. Les Techniques de l'Ingénieur, TRI 504 (2017) 
[3] W.R.D. Wilson, Y. Sakaguchi, S.R. Schmid: A mixed flow model for lubrication with emulsions. Tribology Trans. 37, 3 (1994) 543-551 
[4] S. Cassarini: Modélisation du film lubrifiant dans la zone d’entrée pour la lubrification par émulsion en laminage à froid. Thèse de Doctorat en Sciences et Génie de Matériaux, Ecole des Mines de Paris (2007) 
[5] O. Filali : Approche multiphysique du contact frottant en grande déformation plastique : prédiction numérique du grippage d’alliages d’aluminium en mise en forme à froid. Thèse, UPHF (2020) 
[6] W.R.D. Wilson: Friction models for metal forming in the boundary lubrication regime. J. Engg. Mat. Technol. (Trans. ASME) 113, 1 (1991) 60-68
[7] D. Boemer: Numerical modeling of friction in lubricated cold rolling. Thèse de Doctorat en Sciences de l’Ingénieur, Université de Liège, Belgique, 2020