Recherche au LEM3 : les matériaux composites

Matériaux composites : plus performants et plus légers 

Utilisés depuis les années 60, les matériaux composites sont composés de plusieurs matériaux appelés phases (fibres et résines) qui permettent d’obtenir des propriétés mécaniques, comme la rigidité ou la résistance, supérieures aux matériaux pris séparément, tout étant plus légers.

« On va chercher à prédire les propriétés de ces matériaux en intégrant les propriétés de leurs constituants et l’architecture de leur microstructure. Pour ce faire, on effectue des analyses multi-échelle, c’est-à-dire qu’on regarde leur microstructure pour prédire leurs propriétés à l’échelle de l’utilisation. », explique Francis Praud, enseignant-chercheur au Laboratoire d'Étude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (LEM3).

« Pour l’industrie automobile c’est particulièrement intéressant, poursuit Fodil Meraghni, qui travaille sur ce sujet depuis 36 ans. En les aidant à comprendre le comportement mécanique de nouveaux matériaux composites, nous leur permettons d’avancer dans leur problématique d’optimisation et surtout d’allègement des structures des véhicules. » 

Trouver la meilleure combinaison possible pour répondre aux exigences des industriels 

Dans le domaine des composites thermoplastiques, les équipes du LEM3 possèdent plusieurs compétences précieuses à l’industrie. Compétences qui s’enrichissent depuis 2019 des apports de l’Intelligence Artificielle et des techniques de réductions de modèles en vue de proposer des solutions frugales et multiparamétriques. 

Modélisation multi-échelle, simulation de tenue en service en régime non-linéaire 

Le régime non-linéaire correspond à la phase précédant la rupture. Sur un matériau précis, les équipes du LEM3 travaillent donc à définir comment se comporte ce dernier dans cette phase précédant la rupture.

Grâce à des collaborations internationales (USA, Allemagne, Chine, Malaisie…) et nationales, en particulier avec d'autres laboratoires Arts et Métiers comme le PIMM et le LAMPA, les modèles créés sont maintenant enrichis par des données issues du réel. Cet apport de l’Intelligence Artificielle, en particulier via les réseaux de neurones informés par la thermodynamique, permet de réduire les temps de calcul tout en gardant la robustesse et la haute-fidélité des calculs multi-échelles.  

Détection de l’endommagement, caractérisation du comportement mécanique 

En observant un matériau soumis à des sollicitations thermo-mécaniques on peut prédire comment il arrive à la rupture. Les chercheurs réalisent leurs observations grâce à plusieurs méthodes non-invasives disponibles sur le campus de Metz : micro-tomographie, techniques ultrasonores et imagerie. Les résultats de ces tests viennent ici aussi alimenter les modèles de lois de comportement.

Grâce au développement de l’IA, on peut désormais mieux qualifier la criticité d’un endommagement et ses impacts sur réponse globale d’un matériau voire sur la tenue en service d’une structure.  

La tenue en service intégrant les paramètres de microstructure des composites avec un retour sur le procédé de mise en œuvre

Parfois, les industriels ne sont pas arrêtés sur le choix d’un matériau composite. Il convient alors aux équipes de trouver la meilleure microstructure pour des propriétés données, c’est-à-dire : comment on oriente les fibres, pour quel type de structure et avec quel nature de renfort.

Ensuite, les recherches se poursuivent sur le terrain de la tenue en crash et/ou en fatigue de cette nouvelle structure. Les chercheurs peuvent alors établir une loi de comportement qui permet de faire évoluer les paramètres, par exemple : une autre microstructure ou l’utilisation d’une autre fibre.

Ces questions font par exemple l’objet d’un travail particulier avec VALEO au sein du groupe Generative material design, porté par Fodil Meraghni, Francisco Chinesta et Amine Ammar, tous enseignants-chercheurs à Arts et Métiers.

Matériaux composites : deux nouveaux champs de recherche 

Alors que les compétences historiques du LEM3 se situent autour des composites à matrice thermoplastique, d’autres pistes sont désormais explorées, notamment pour développer des matériaux qui répondent aux enjeux toujours croissants de décarbonation de l’industrie. 

Les composites recyclés 

Une thèse en collaboration avec le CETIM a été soutenue en début d’année 2025. Encadrée par Fodil Meraghni, elle a permis d’étudier la possibilité de valoriser les déchets issus de la filière hydrogène pour créer de nouveaux matériaux composites.  

Les composites à renfort naturel : des matériaux décarbonés et biodégradables

Dans un matériau composite, il est possible d’utiliser des résines et des renforts issus de produits naturels. C’est sur un matériau bio-composite en PLA, une résine thermoplastique issue du maïs, à renfort de fibres de lin fabriqué par impression 3D que se portent les travaux actuellement menés.  

« L’objectif est d’optimiser le procédé pour obtenir les meilleures propriétés mécaniques et de durabilité possibles, explique Stéphane Fontaine, enseignant-chercheur, directeur du campus de Metz et pilote de l’équipe de recherche en lien avec l’Université de Lorraine. Il y a notamment un enjeu sur la porosité du matériau car le procédé de fabrication a tendance à favoriser la formation de bulles d’air. »

Si les bio-composites sont déjà utilisés dans l’industrie, ceux à base de fibres longues le sont moins. Ce procédé permet d’avoir des formes bien particulières et de jouer sur l’orientation des renforts. Des recherches qui permettraient à terme d’utiliser ce matériau décarboné et biodégradable sur des petites séries pour fabriquer des pièces de remplacement par exemple ou des orthèses.  

Dans l’autre laboratoire du campus de Metz, le Laboratoire Conception, Fabrication Commande (LCFC), les matériaux composites se réfléchissent sous l’angle de la mise en forme, notamment avec le projet ELF EPITHER.