LES ACTIONS SCIENTIFIQUES
ACTION 3 (Formulation des poudres ) – Université de Lorraine
La composition d’une poudre et son évolution au cours du temps impacte son transport, son stockage et sa mise en forme. Une optimisation des procédés qui mettent en œuvre ces matériaux nécessite une quantification de leurs propriétés physico-chimiques, structurelles et mécaniques et de leur évolution tout au long d’une chaîne de production. Cela nécessite la mise en place d’outils, de techniques expérimentales adaptées, d’une expertise et d’une expérience dont le consortium dispose à travers l’ensemble de ses partenaires académiques. Le consortium a développé des compétences afin de fabriquer des particules à propriétés mécaniques contrôlées (particules fonctionnalisées) qui seront utilisées tout au long du projet. Le consortium utilise et développe des techniques expérimentales pour mesurer certaines caractéristiques de ces poudres en vue de comprendre comment elles évoluent et comment elles influencent leurs propriétés d’écoulement au cours de leur transport et leur mise en forme. Nous caractérisons en particulier:
– La taille et la forme des particules ;
– Les propriétés micromécaniques des particules ;
– Les propriétés d’hydratation ;
– Les propriétés électriques ;
– L’effet d’ajout d’adjuvants ;
– La rhéologie.
Ces mesures sont effectuées en collaboration entre les laboratoires des universités partenaires en fonction de leurs spécialités. Nous menons donc une étude complète permettant de caractériser les propriétés physico-chimiques et mécaniques des différentes poudres d’intérêt industriel. Ces mesures sont également nécessaires pour affiner les modèles physiques utilisés dans les simulations numériques (Action 7) en vue de mettre en place des outils numériques performants pour prédire les écoulements dans des géométries complexes comme celles rencontrées en pratique sur les sites industriels.
ACTION 4 (Approvisionnement) – S. Antonyuk, R. Hesse
L’Institut d’ingénierie des procédés et des mécanique de l’Université de Kaiserslautern étudie de nombreux sujets scientifiques dans presque tous les domaines de la technologie des particules. De la formulation de particules à propriétés contrôlées à la séparation de particules dispersées en phase gazeuse ou liquide, les recherches du département couvrent les opérations de base centrales de la technologie des poudres.
Pour caractériser les systèmes de matériaux dispersés, le département développe ses propres technologies de capteurs, qui ne sont pas uniquement utilisées à l’échelle du laboratoire. Dans le domaine de la technologie des procédés mettant en oeuvre des substances solides, les effets macroscopiques lors du stockage de solides en vrac, les propriétés micromécaniques des particules lors de la rupture par exemple sont examinés de manière expérimentale et numérique. Le développement d’outils de simulation numériques est au cœur de toutes les activités de recherche, en particulier en ce qui concerne la modélisation des processus d’écoulement multiphase.
Dans le cadre du projet PowderReg, les problèmes de stockage des poudres sont étudiés pour éviter les fluctuations de débit massique et les problèmes d’écoulement. Outre les recherches expérimentales, des méthodes numériques (Discrete Element Method & Computational Fluid Dynamics) sont utilisées pour la simulation des décharges de silo et des processus de cisaillement, pour lesquels les interactions micromécaniques sont modélisées et calibrées
ACTION 5 (Transport) – C. Wagner, J. Fiscina, R. Handa
Dans le cadre du projet européen « PowderReg », l’équipe de l’Université de la Sarre s’occupe des recherches portant sur l’écoulement des milieux granulaires. Dans la première année du projet, elle s’est proposée de développer et d’analyser des techniques de mesure dans le domaine de la rhéologie de ces milieux complexes, et de mettre en place des expérimentations associées. Dans ce cadre, l’équipe utilise un rhéomètre standard pour étudier des échantillons de milieux granulaires avec un cisaillement oscillatoire à forte déformation (LAOS). Elle a présenté ses résultats scientifiques lors de la Conférence Rheology 360 au Luxembourg (19/03/2018). Dans la première année ella a aussi mis en place la première installation avec un rhéomètre tubulaire.
Graçe à des collaborations enrichissantes avec des partenaires academiques et industriels, l’équipe a développé un programme de travail pour 2018 et les années suivantes. Elle a discuté avec le Prof. Caceres (Institut Balseiro, Argentine) des résultats obtenus sur l’écoulement des poudres afin d’elaborer une theorie sur les gas granulaires qui soit liée au modèle van der Waals, afin de trouver un modèle adéquate qui puisse prédire les résultats expérimentaux. Elle a échangé aussi avec Dr. Pedro Pury (FAMAF, Argentine) sur la rhélogie des milieux granulaires pour étudier la thermodynamiques du rhéomètre tubulaire. L’ëquipe a discuté aussi des éxperimentations traditionnelles effectuées avec le rhéometre tubulaire en vue de mésurer l’énergie dissipée et l’entropie configurationnelle.
Elle a pris contact avec l’entreprise CERATIZIT, Luxembourg (www.ceratizit.com) et ils ont organisé trois rencontres (une dans leur établissement industriel et deux dans nos laboratoires) portants sur les différentes étapes du processus métallurgique pour produire des outils coupants. Nous avons structuré la collaboration en invitant l’entreprise à rejoindre le Comité d’Innovation et d’Impact du projet en vue de renforcer la cooperation surtout dans le cadre des activitées liée à l’innovation des procédés qui mettent en oeuvre des poudres d’intérêt industriel.
Détail des mesures rhéologiques effectuées pendant le 2017 à travers LAOS: Ensembles granulaires humide avec un tensioactif, maximum contact par particule
ACTION 6 (Mise en forme) – N. Vandewalle, S. Pillittieri
Les propriétés d’écoulement de poudres et la dynamique de compaction des matériaux granulaires sont étroitement liées, comme ce fut démontré dans une série d’expériences effectuées au cours de la dernière décennie. On comprend que la mobilité de chaque grain dans un ensemble granulaire est directement liée à la fluidité de ce système, ou la façon dont il peut se densifier si il est délicatement vibré. Faire vibrer un milieu granulaire augmente sa fraction volumique. Bien que largement étudié, ce phénomène, qui s’appelle la compaction, demeure surprenant. En effet, la dynamique de compaction est déterminée par de nombreux paramètres tels que les formes des grains, les tailles des grains et le type de vibration. Dans notre étude, nous nous concentrons sur la distribution des tailles de grain. En particulier, nous menons une investigation expérimentale sur la fraction volumique de différents mélanges de grains sphériques de différentes tailles. La dynamique de compaction est également analysée pour différentes forces de variation et orientations.
ACTION 7 (Preuve de concept ): B. Peters, F. Qi, X. Besseron
Les outils numériques sont efficaces pour prédire et optimiser les écoulements des milieux granulaires denses. La modélisation de la mécanique des milieux continus demande un faible coût de calcul, mais elle doit faire face à un problème remarquable concernant sa fermature. Un modèle de fermature unifié qui peut être appliqué aussi bien aux milieux granulaires dilués que denses n’existe pas. La formulation de nouvelles lois rhéologiques en élargissant la théorie cinétique afin de prédire à la fois les milieux granulaires dilués et denses n’est pas facile à partir de résultats uniquement expérimentaux. Le potentiel d’une modélisation XDEM qui rend possible la simulation dynamique de la granulometrie des poudres, offre un aperçu plus detaillé pour étudier les comportements des mileux granulaires.
Dans le cadre du projet, nous proposons d’utiliser la simulation numérique pour décrire les écoulements avec deux système prototypes: une cellule de Couette et un plan incliné. La méthode Ensemble averaging sert pour dériver informations comme stress, tensions et temperature granulaire à l’échelle macroscopique à partir d’une simulation des interactions à l’échelle des particules. Le but est de trouver des relations entre les paramètres dynamiques d’écoulement et de formuler les relations rhélogiques afin de les inclure dans un modèle continus.
