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OPTIMAA: OPTImisation des Microstructures et des Propriétés
Mécaniques d'Alliages Métalliques Obtenus par Fabrication Additive

Au Service De L'innovation

labcom optimaa

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De la recherche à
l'innovation depuis
plus de 30 ans

Un accélérateur d'innovation

Ce projet est un accélerateur d'innovation et un soutien au tissu industriel français

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Objectifs Globaux, Verrous
Scientifiques et Techniques

labcom optimaa

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Le projet LabCom OPTIMAA s’appuie sur les objectifs
de développement de Z3DLAB et sur l’expertise du LSPM,
en particulier dans la métallurgie physique et la métallurgie des
poudres, pour optimiser ces matériaux et leurs performances.

Les matériaux développés par FA, en particulier les alliages de
titane comme leTA6V, dominent les marchés médicaux et
aéronautiques. Cependant, le TA6V présente des inconvénients
tels que la toxicité des éléments d’alliage et sa rigidité comparée
à l’os, ainsi que des limitations en termes de fatigue
et derésistance mécanique pour l’aéronautique.

Pour résoudre ces problèmes, Z3DLAB a créé des poudres
innovantes comme ZTM14N (pour le médical), ZTP10 (pour la
résistance à la fatigue) et ZTP20Z (pour les milieux extrêmes).
Ces matériaux ont démontré des perspectives intéressantes en
laboratoire, mais une optimisation des paramètres de fusion par
FA et un post-traitement par CIC sont indispensables
pour un déploiement à l’échelle industrielle.

La gamme des matériaux métalliques proposés à la fabrication additive (FA) reste limitée alors qu’il existe une réelle attente de nouveaux matériaux pour des objets métalliques plus légers ou des composites à matrice métalliques aux propriétés nouvelles ou améliorées, en particulier dans les secteurs liés aux industries automobiles, nucléaires, aéronautiques et médicales.

Les travaux prévus dans le cadre de la proposition OPTIMAA, permettront non seulement d’apporter de nouvelles solutions matériau (poudres et massifs) mais également d’améliorer le degré de maturité de ces solutions afin de résoudre les problématiques suivantes : dans le domaine médical, on proposera un nouveau matériau (ZTM14N) pour remplacer le titane pur et le TA6V (plus rigide que l’os, présence d’éléments toxiques).

Dans le domaine aéronautique, une solution matériau composite à base de TA6V et d’oxyde de zirconium afin de remplacer le TA6V (faible résistance à la fatigue). Dans le domaine aérospatial, une solution matériau de remplacement pour le zirconium (ZTP20Z) sera également mise en œuvre. Pour ce faire, le triptyque « procédé FA—microstructure—propriétés (et performance) » sera au centre des travaux du LabCom OPTIMAA.

Solution ZTM14N (Ti19Nb14Zr)

Une fois les propriétés mécaniques (Axe 2) de ce matériau biocompatible validées (TRL actuel 5), l’objectif sera de développer un applicatif de ce matériau, en particulier dans le domaine des implants dentaires.

Solution ZTP10 (TA6V1Zr0.3O)

Actuellement ce matériau est à TRL 6. Une étude complète de son comportement en fatigue ainsi que de fluage sera nécessaire afin de passer au TRL 7. L’objectif est d’obtenir une pièce d’application finale qui répond aux normes du marché aéronautique.

Solution ZTP20Z (TA6V20Zr)

Ce nouveau matériau très récent nécessite un travail plus poussé que le ZTP10 et ZTM14N. En effet, le TRL de ce matériau est de 4. Une première faisa-bilité pour réduire le coût de revient doit se faire en amont.

Enjeux Et Avantages Du Partenariat

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Le LSPM entretient depuis 2014 une collaboration fructueuse avec la PME Z3DLAB.
Cette collaboration a permis au LSPM de piloter et de réaliser des travaux communs.
Ces projets et cette forte interaction avec 3DLAB positionnent stratégiquement le
LSPM, sur les procédés de métallurgie des poudres, et plus particulièrement sur la FA.

Expertises
croisées

Partenariat public-
privé gagnant-gagnant

Transfert de
technologie

Double transition
Verte et digitale

Les deux partenaires développent depuis longtemps une
collaboration très fructueuse et soutenue. La relation LSPM-
Z3DLAB remonte à l'année 2014. Sous la direction de G.
Dirras (Professeur, LSPM) et Dr M. Djemai (Président,
Z3DLAB), le LSPM a accueilli le premier stagiaire de Z3DLAB
en septem-bre 2015 pour travailler sur la production et la
caractérisation des pièces en ZTi- Powder®® produites par FA.
En 2016, un autre stagiaire continua le travail sur ce matériau.
La base des données techniques et scientifiques fut enrichie
et donna naissance à une collaboration pérenne, via la mise
en place d'une thèse CIFRE au LSPM financée en partie par Z3DLAB.
Ce travail a donné lieu à plusieurs articles dans des revues
internationales à comité de lecture ainsi qu'à des communications
lors de conférences nationales et internationales.

Il en est résulté une visibilité importante dans le monde de la
FA, tant en France qu'au niveau international. Actuellement,
une autre collaboration solide réunit les deux partenaires,
elle s'agit d'un programme PRCE co- financé par l'ANR à
hauteur de 700 k€ pour une durée de 4 ans. Ce projet
CoCoA-Bio », ANR-20-CE08-0032) porté par le LSPM et
dont Z3DLAB est le partenaire industriel a pour objectif de
développer et de commercialiser un nouveau matériau pour
le marché des dispositifs médicaux afin de produire des
implants médicaux et de remplacer le TA6V, actuellement la
solution la plus utilisée, en dépit des effets nocifs avérés, à
long terme.
En 2021, Z3DLAB et le LSPM ont été partenaires
d'un projet commun dans le cadre du plan France Relance
(PDR) du gouvernement (action 4).

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Programme De Travail

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La feuille de route est décrite via deux axes de recherches
caractérisés par un ensemble de jalons clairement identifiés.


- Axe de travail #1 : formulation des alliages, production des
poudres, optimisation des paramètres de fusion et fabrication
des matériaux massifs. Cet axe du LabCom sera piloté par
Z3DLAB qui se chargera de la formulation des alliages ; de la
production à grande échelle des poudres initiales (solutions
internes ou externes) et de la définition des paramètres de
fusion. Un ingénieur (H/F) sera recruté par Z3DLAB et
s’occupera de la formulation des alliages et de la fusion par
SLM. Un doctorant CIFRE sera également recruté par Z3DLAB
pour une durée de 36 mois afin de travailler sur le
développement de ZTM14N. Z3DLAB bénéficiera d’une
expertise croisée avec le LSPM pour affiner les paramètres
de fabrication, via la caractérisation microstructurale fine,
multiéchelles. Une étape importante consistera en la
caractérisation des poudres initiales et des propriétés physiques
de celles-ci (morphologie, granulométrie densité, coulabilité).
Cette phase s’étalera sur 36 mois.

- Axe de travail #2 : Liens microstructures-propriétés-
performances. Cet axe relève du domaine d’expertise du LSPM.
Il s’agira ici de mener une caractérisation microstructurale
complète (défauts de fusion, défauts structuraux, homogénéité
chimique, densité…) des matériaux massifs produits après
fusion, de mettre en place un programme de post-traitement
CIC et d’en évaluer les caractéristiques mécaniques (grâces
à des essais quasi statiques et cycliques); les performances
mécaniques (en fonction de l’application visée seront mesurées
et des essais complémentaires seront à développer (fatigue
et fluage, notamment) afin de valider les solutions matériau
proposées.


Les résultats obtenus dans le cadre de ces deux axes de
recherches permettent d’envisager pour chaque matériau des
développements en termes d’innovation et d’exploitation
commerciale à plus ou moins long terme. Cette phase est prévue pour durer 42 mois.

Retombées
scientifiques,
techniques
et économiques

Les deux partenaires s’engagent dans le développement
de procédés de fusion additive pour des matériaux
avancés (ZTM14N, ZTP10 et ZTP20Z) visant les secteurs
aéronautique et médical. Bien que la maîtrise de ces
procédés soit établie, le produit phare de la société
Z3DLAB est le titane en poudre sphérique, dont le prix
moyen sur le marché est de l’ordre de 250€/kg.
Actuellement, les poudres produites par Z3DLAB
reviennent après production à 400 €/kg. L’objectif est de
réduire ces coûts via l’amélioration en termes techniques
de son procédé propriétaire A3P Circular, pour
l’amener aux environs de 100 €/kg. Un essai de faisabilité
technique a commencé en septembre 2021,
produisant initialement du ZTM14N. Bien que la poudre
soit disponible en petite quantité, la première fusion
additive a eu lieu en décembre 2021, permettant de
réaliser les premières analyses.

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Pour aller de l’avant, le projet global requiert un partenariat
sur le long terme avec le LSPM pour développer la
technologie de fabrication de poudres et les paramètres
de fusion optimisés. Ce projet de LabCom aura un impact
important sur le développement technologique et
économique de Z3DLAB. Il permettra en particulier d’inclure
dans le portefeuille de la société des autres matériaux
avancés tels que les alliages à haute entropie (HEA) à base
du système Ti-Nb-Zr pour lequel Z3DLAB a la maitrise
et qui relève également des thématiques développés
par le LSPM depuis des années.

L' Équipe

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Les experts
du Titane

Tout semble possible avec un labcom, à partir du moment où ceux qui se lancent dans cette aventure partagent une vision commune visant à faire avancer la science.

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Z3DLAB

Entreprise partenaire

Z3DLAB, est une société de technologie en science des materiaux
axée sur les poudres de titane haute performance pour les
applications de fabrication additive, en particulier la production de
poudre metallique et la fabrication de pieces a haute valeur ajoutée,
visant les secteurs aéronautique et médical.


Le produit phare de la société est le titane en poudre spherique, dont
le prix moyen sur le marché est de l'ordre de 250€/kg. Actuellement,
les poudres produites par 23DLAB reviennent aprés production a 400
€/kg. L'objectif est de réduire ces coûts via son procédé A3P Circular,
pour l'amener aux environs de 100 €/kg. Un essai de faisabilité
technique a commence en septembre 2021, produisant initialement du
2TM14N. Bien que la poudre soit disponible en petite quantite, la
première fusion additive a eu lieu en décembre 2021, permettant de
réaliser les premières analyses. Pour aller de l'avant, le projet global
requiert un partenariat sur le long terme avec le LSPM pour
développer la technologie de fabrication de poudres et les paramètres
de fusion optimisés. Le marché principal de Z3DLAB est la vente de
matériaux avancés pour la FA et vente de licences d'applicatifs
Z3DLAB est implantée en France. Elle a établi des liens avec le secteur
aérospatial français en devenant membre du pôle de competitivité
ASTech, pole dédié à l'aéronautique. L'entreprise a également établi
des partenariats avec des institutions académiques françaises telles
que le CNRS, le CEA et le LSPM. L'entreprise possède un comité
scientifique composé de métallurgistes et d'experts médicaux, ce qui
témoigne de son engagement dans des domaines variés.


La société a mis au point plusieurs mélanges de poudres répartis en
deux familles: ZTi-Powder® (regroupant les poudres ZTP10 et
ZTP20Z) et Ti-Med® (comprenant la poudre de ZTM14N).


Elle a été reconnue comme une entreprise du programme
Technologies de rupture (DeepTech), ce qui indique un engagement
dans la recherche et le développement technologique avancés. Elle a
également obtenu une subvention de 1 million d’euros.

madjid

Président Z3DLAB, ingénieur informatique, inventeur et ex-directeur en
Recherche et Développement, Madjid Djemai a créé Z3DLAB en 2014,
avec ses deux associés (société spécialisée dans la FA par fusion de
lits de poudre de métaux (Additive Manufacturing).


Avec près de 2 années consacrées à la R&D, l'entreprise détient à ce
jour 4 brevets qui leur permettent d'investir le marche mondial de
l'industrie aéronautique, médical et de l'energie. Z3DLAB développe
ses propres poudres et procédés de fabrication. La société s'est
récemment fait remarquer avec la sortie de Zti-Powder®, un materiau
composite Titane/Zircone, le materiau le plus dur au monde pour la
fabrication additive par fusion laser. De plus, en decembre 2016.
Z3DLAB et HS HI-TECH, expert coréen dans les semi-conducteurs,
ont signé une joint-venture : Z3DFAB. Ils ont mis à profit leurs deux
expertises pour créer le premier centre de production de Fabrication
Additive Digitale (Digital Additive Manufacturing) en Corée.


Grâce au partenariat de la communauté d’agglomération avec
l’Université Paris 13 et l’association AVRILE, Z3DLAB a bénéficié d’un
partenariat avec un laboratoire du CNRS pour le développement de
nouvelles poudres et leur expertise régulière dans leur R&D. Z3DLAB a
également eu le soutien de Val d’Oise Technopole, association qui
accompagne les entreprises de La pépinière dans leur développement,
pour des mises en relation simplifiées et appuyées auprès des acteurs
du financement (Bpifrance, Région IDF, Scientipole Initiative, COFACE).

LSPM/CNRS

Laboratoire académique

Le LSPM est une unité propre de Recherche du CNRS avec un effectif
d’environ 130 personnes, dont plus de 30 doctorants, 61 chercheurs
ou enseignants-chercheurs, 20 techniciens et personnel administratif.
Sa recherche est multidisciplinaire et couvre un large champ de
recherche en science des procédés et des matériaux, depuis la
conception de matériaux de tous types, le développement de
procédés de fabrication, l’étude de la structure et de la constitution
des matériaux à toutes les échelles, l’analyse du comportement
(macroscopique) et des mécanismes qui le pilotent. Une forte activité
de modélisation multiéchelle du comportement des matériaux, des
structures et des procédés sous différents environnements y est
développée.


La proposition de LabCom est portée par l’équipe 2MP (Métallurgie
Physique, Microstructures, Propriétés) de l’axe thématique
MECAMETA (Mécanique, Métallurgie). 2MP bénéficie d’équipements
de la plateforme CARAMEL (projet SÉSAME co-financé par le CNRS et
la Région Île-de-France) hébergée par le LSPM et qui comprend entre
autres un simulateur physique GLEEBLE et une presse de compaction
isostatique à chaud (deux équipements uniques en milieu
académique); d’équipements innovants de caractérisation
microstructurale et de l’étude du comportement mécanique
macroscopique.

guy

Guy Dirras, porteur du projet, est actuellement Vice-président en
charge des relations internationales de l’Université Sorbonne Paris
Nord, professeur des Universités à IUT de Saint-Denis – Département
Science et Génie des Matériaux Laboratoire des Sciences des
Procédés et des Matériaux, LSPM, UPR-CNRS 3407, physicien-
métallurgiste et chercheur au LSPM. Acteur dans le domaine de
l’activité partenariale avec le territoire, il est directeur du laboratoire
commun (LabCom) CNRS-Z3DLAB « OPTIMAA ». Il est l’auteur de
+120 publications et membre de plusieurs programmes de recherche
collaborative, en partenariat public/privé, ou en partenariat
international, en tant que porteur ou responsable scientifique, parmi
lesquels les programmes ANR : « SHIELD » ; « CoCoA-Bio »;
« TurboAhead »; « HighS-Ti », « MAUDE »; les programmes PEA
« AHE » et RAPID « MADRYD » de la DGA, et le FUI « PALOMA ».


Les intérêts scientifiques de Guy Dirras sont de nature interdisciplinaire
et visent à identifier les phénomènes microstructuraux et les
mécanismes élémentaires de plasticité́ qui régissent le comportement
mécanique à l’échelle macroscopique des métaux et alliages, et des
alliages à forte entropie (HEA). Ses centres d’intérêt traditionnels
incluent : la métallurgie des poudres ; l’étude du comportement
mécanique et l’analyse des mécanismes de déformation et de rupture ;
l’identification des interactions entre défauts de structure (dislocations,
précipites, joints de grains…). Ses thèmes et son activité de recherche
actuels portent sur : l’ingénierie des microstructures (Alliages
réfractaires à haute entropie, Structures harmoniques à base de titane,
Microstructures à gradient dans les métaux et alliages) couplée à
l’identification des mécanismes de déformation sous déformation,
et la mise en œuvre de nouvelles solutions matériau pour les implants
biomédicaux.


Il est accompagné par une équipe de permanents composée
(chercheurs, enseignants-chercheurs, ingénieurs et techniciens)
suivante : A. Hocini (IR, essais mécaniques et post-traitement CIC) ; M.
Konstantakopoulou (IE, Microscopie), P. Langlois (CR, métallurgie des
poudres), D Tingaud (MCF, procédés et chimie des matériaux).

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Actualités

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