Focus CTIF

CTIF est le centre technique industriel national de référence en métallurgie et transformation des métaux (fonderie, fabrication additive métallique, affinage, recyclage…) .

Depuis 70 ans, ses équipes basées à Sèvres (92) et Saint Didier au Mont dOr (69), et plus récemment sur le site Metafensch d’Uckange (57) accompagnent les industriels utilisateurs et développeurs de produits métalliques dans leurs projets et développements, via ses interventions et services en :

  • Innovation en métallurgie, en produits métalliques et en transformation des métaux
  • Conseil opérationnel (sur productions et conceptions industrielles)
  • Laboratoire via ses compétences et moyens d’essais, d’analyses et d’expertises (COFRAC, COFREND, NADCAP) en métallurgie, matériaux et produits métalliques  
  • Formation (initiale et continue) aux métiers de la métallurgie, en partenariat avec l’Association de Formation A3F et l’Ecole Supérieure de Forge et de Fonderie ESFF

Centre Technique Industriel historique, CTIF dispose d’une Fonderie Expérimentale et d’une plateforme d’essais pour la qualification d’Appareils de Thermique Domestique (bois/gaz) sur son site de Sèvres,  et au total, de 5000 m2 de laboratoires répartis sur ses 2 sites de Sèvres et Saint Didier au Mont d’Or.

Dans le cadre d’une convention de Partenariat signée en 2016 avec la Plateforme Publique METAFENSCH, CTIF a également intégré de nouvelles compétences en métallurgie sur le site d’Uckange (57).

Centre Technique dédié au support technique auprès des industriels, CTIF développe avec ses partenaires (industriels et académiques) des connaissances et solutions scientifiques et technologiques dédiées à la conception, l’étude, la conduite et l’optimisation des procédés de mise en preuve de produits métalliques. Sa compétence historique est la fonderie, ses compétences élargies portent également sur les conceptions et technologies de forge, de fabrication additive métal (FAM), et d’élaboration d’alliages métalliques au sens large.

Au-delà des missions sur mesure développées sous forme de prestations privées en réponse aux besoins des industriels (50% de son activité), CTIF développe un Programme de R&D propre, au service de la Profession des Fondeurs, et de la valorisation permanente des produits métalliques dans les filières utilisatrices. Les recherches sont structurées autour de 5 axes stratégiques prioritaires, intégrés au Contrat de Performance du Centre :

  • 1 – Métallurgie solide et liquide (alliages, élaboration, mise en œuvre)
  • 2 – Innovation produit (nouvelles structures et matériaux fonctionnels)
  • 3 – Innovation process (outillages et procédés de fonderie/fab’add’)
  • 4 – Simulation numérique (conception, optimisation et prédiction)
  • 5 – Contrôle et caractérisation des matériaux (méthodes, moyens et référentiels)

Dans ce cadre, quelques axes de travail principaux du CTIF sont :

  • La conception topologique et l’intégration métier (Optistruct)
  • Toutes les démarches de type QualiCAST® et les travaux sur la défectologie (Projets Gigadef, Indiana, CDFAF – prédiction de l’impact des défauts)
  • Les travaux sur les nouvelles structures (bi-matériaux, structures lattices…) en fonderie ou en FAM
  • Les optimisations de conceptions outillages et solutions associées (conception, thermique, FAM…)
  • Les travaux sur le traitement et la valorisation des sables en fonderie (projet Ultrasand, liants inorganiques, recyclages et valorisation…)
  • Les CND (groupes de travail COFREND, nouveaux référentiels et méthodes, tomographie…) et le développement d’essais « sur mesure » (Thermocracks®)
  • Le recyclage maîtrisé des matières métalliques (post VALBOM, MOTION,… gisements, résiduels, préparations et enfournements…)
  • L’accompagnement des industriels pour le déploiement de ses innovations « prêtes » à exploiter :  carapaces renforcées en cire perdue, noyaux destructibles en fonderie sous pression, aciers micro-alliés, fonte bainitique brute de coulée (Bainext®), structures lattices en fonderie…

 

L’élargissement des domaines d’action de CTIF, ces deux dernières années a porté sur 5 axes prioritaires :

  • la Fabrication additive métal (en partenariats avec Maupertuis, Spartacus 3D, Platinium3D et Surfo3M) et non métal (projet FASSE en Région Rhone Alpes )
  • l’approche numérique de la métallurgie (intégration en cours du logiciel THERMOCALC sur bases acier, ferroalliages, bases nickel, oxydes et laitiers) et des essais (plans d’exp’numérique)
  • l’élaboration sous vide (VIM et le développement de la compétence titane, via le partenariat avec METAFENSCH
  • la prospection sur de nouvelles métallurgies (intermétalliques, projet APROFOND)
  • l’affinage et la meilleure maîtrise de la métallurgie en ferreux (Metafensch, métallurgie au four à induction, …)

Accompagnement à l'innovation

Retour sur la démarche d’accompagnement à l’innovation mise en place au sein de l’ERPI, avec Laure MOREL et Laurent DUPONT.

L’ERPI est un laboratoire pluridisciplinaire en Génie Industriel qui mène des recherches sur la conduite et le pilotage des systèmes innovatifs depuis plus de 40 années avec une formation doctorale rattachée au laboratoire depuis son origine. Le laboratoire est localisé à Nancy dans les locaux de l’École Nationale Supérieure d’Ingénieurs en Génie des Systèmes et de l’Innovation (ENSGSI). L’ERPI compte en moyenne 45 personnes réparties comme suit : 22 E/C et C Permanents, 3 personnels chercheurs temporaires, 5 autres personnels IATOS et 15 doctorants.

L’ERPI poursuit une recherche fondamentale qui s’appuient sur différentes théories : multicritères, modélisation des systèmes, métrologie de l’innovation notamment. Cela lui permet de développer des démarches méthodologiques supportées par des outils logiciels afin de contribuer à une recherche de type « développement expérimental » au sens de l’ANR. Un des premiers résultats de recherche est la création d’une plateforme technologique et de recherche appelée LF2L (Lorraine Fab Living Lab®) qui permet aux chercheurs de tester dans un lieu approprié leurs hypothèses de recherche.

Le laboratoire ERPI est par ailleurs membres de nombreux réseaux/sociétés savantes nationaux et internationaux liés à l’Innovation, au Management des Technologies et à l’Ingénierie collaborative : IAMOT, ICE, IFAC, INCOSE, SFGP, réseau européen des Living Labs (ENoLL), France et Francophonie Living Labs (co-fondateur), Fab Foundation, Réseau Français des FabLabs (Co-fondateur), LORnTECH (French Tech).

En 2017, l’ERPI a reçu le grand prix de l’Innovation de la Société Industrielle de l’Est

Le laboratoire se concentre sur l’évaluation et le pilotage des processus d’innovation participative, en élaborant et/ou en adaptant des modèles, méthodes et outils de l’ingénierie de l’innovation, de l’ingénierie système et de l’ingénierie des connaissances. Ceci nous permet d’accompagner la conception et l’évaluation des usages présents et futurs en milieu industriel (ex : UIMM/ F2I, Noremat/Actibact, ENEDIS, contrat CIFRE, etc.), urbain (ADEME, MGN, CCPHVA, Dieuze, etc.), voire dans le domaine de la Santé et du Bien-être (ex : Institut de Cancérologie de Lorraine).

A travers la conception et le développement d’outils (plates-formes physique et numérique, logiciels, start-up, etc.), de méthodes (prise en compte des exigences des usagers dans l’évaluation du besoin de nouveauté, méthodes prospectives et de simulation dynamique d’analyse de l’impact d’une innovation sur ses environnements, diagnostic de la capacité à innover, ingénierie collaborative, systèmes multi-agents, etc.) et de modes partenariaux (démarche open hardware, etc.) originaux, l’ERPI est capable d’appréhender l’ensemble des dimensions de la phase amont de l’innovation.

Les recherches de l’ERPI ont permis de développer plusieurs dispositifs pour soutenir le développement socio-économique :

  • La plateforme numérique « Innovation 48H Maker » de capitalisation et tri des idées, développée dans le cadre de session créative en mode collaboratif et distribué. Ce dispositif est notamment utilisé lors des « 48h pour faire vivre des idées » qui mobilisent jusqu’à 1500 étudiants (M2) sur les thématiques proposées par des PME-PMI ou des Grand groupe.
  • Le Lorraine Fab Living Lab® (LF2L.fr), est la plate-forme d’accélération de l’innovation de l’ERPI. Déployé depuis 2014 à grande échelle, ce dispositif permet d’accueillir, accompagner, associer sur 400 m2 différentes communautés (citoyens, professionnels, entrepreneurs, chercheurs, etc.) via un processus original capable d’accélérer le passage de l’idée ou concept abstrait (2D) à leur matérialisation (3D virtuelle ou prototypée) en les évaluant (4D – scénarios d’évolution). Cet espace est outillé pour concevoir des Objets Intermédiaires de Conception intégrant les dimensions : produit / service / process / filière.
  • Les Open Citizen Labs pour tester les concepts et produits directement auprès du grand public lors d’événements thématiques ou de manifestions auxquelles nous sommes invitées (ex : La Foire Internationale de Nancy et ses 118 000 visiteurs).
  • La spin off Innovation Way (http://innovation-way.com/) qui propose des prestations de diagnostic, conseil et formation sur le management l’innovation. Nous nous appuyons notamment sur un outil de diagnostic en ligne développé par le laboratoire et disponible en ligne.

Sans être exhaustif nous pouvons illustrer les actions de l’ERPI

Projet Territoire Innovant de Grande Ambition (TIGA) « Des hommes et des Arbres, les racines de demain » qui est défini comme un réseau collaboratif associant le grand public à la conception des projets, mais également à la valorisation des services rendus par la forêt et, plus largement, par le végétal, grâce à l’organisation d’initiatives économiques, scientifiques et culturelles. L’ERPI est pilote et co-pilote des deux axes transversaux pour accompagner l’évaluation multifactorielle des services écosystémiques et pour outiller la démarche collaborative. De manière complémentaire, l’ERPI travaille avec l’entreprise Actibact au développement d’un outil d’orientation stratégique et d’accompagnement à la prise de décision pour la gestion raisonnée des bords de route.

La Chaire REVES (Renaissance Écologique des Villes) qui a comme objectif principal de générer des solutions prenant le parti de l’usage pour assurer une meilleure acceptabilité des innovations produit/procédé/service co-construites avec les différents acteurs de l’éco-système considéré. Nous co-développement notamment le démonstrateur « Smart Cities Living Lab d’Alzette-Belval » à travers lequel nous accompagnons l’Opération d’Intérêt National (OIN) sur la Communauté de Commune du Pays Haut du Val d’Alzette qui vise à favoriser et pérenniser du développement économique ancré sur un territoire socialement et écologiquement responsable.

La poursuite de la Chaire PRINCIP, initiée en 2011 lorsque ERPI a remporté l’AO national lancé par le F2I (Fonds pour l’Innovation en Industrie) visant à financer une Chaire industrielle pour améliorer l’innovation dans les PME/PMI. En 2016, ce projet a abouti à la création de la start-up Innovation Way et se poursuit en termes de recherche par l’étude de la « capacité à open innover » dans le cadre des relations client-fournisseur considérant la filière comme l’écosystème environnant le couple produit/service.

Le Green Fab Lab, dans le cadre du CPER SusChemPro, portant sur le développement d’initiatives favorisant le recyclage de matière et l’économie circulaire comme par exemple un fil en polymère recyclable pour imprimante 3D, dont l’objectif est de réduire au maximum les déchets générés au Fab Lab. A ce jour, il est possible de broyer, extruder et refiler des prototypes jusqu’à 6 fois sans perte notable des propriétés d’usage. Le projet se poursuit sur la création de filière en circuit court intégrant l’intégralité du cycle de vie du produit pour une conception innovante et responsable.

En lien avec les projets dans lesquels nous sommes impliqués, nous poursuivrons le développement de projets qui mobilisent nos expertises complémentaires en vue de concevoir :

  • de nouvelles méthodologies, métriques et de nouveaux outils permettant d’apprécier la valeur durable des solutions en évaluant conjointement leurs impacts sociaux, environnementaux et économiques. Ces solutions seront aussi modélisées, évaluées et validées, à la fois sur le plans fonctionnel, technologique et systémique (approche filière).
  • de nouveaux démonstrateurs et protocoles expérimentaux permettant de conduire des recherches en mode Living Lab (i.e. impliquant des partenariats Public-Privé-Population).

Pour accompagner son écosystème industriel dans ses démarches d’innovation, l’ERPI poursuivra sa stratégie d’investissement sur des technologies dédiées pour maintenir la plateforme LF2L, conçue comme une entité au service de :

  • L’accélération de l’innovation et un management « éco-systémique » des technologies
  • La conception des produits/procédés/services adaptés aux usages de demain
  • L’évaluation de leur acceptabilité/adoptabilité dans une perspective multi-acteurs.

 

Dans un monde de plus en plus connecté, où se conjuguent mondialisation, accélération et démocratisation des technologies, de nouvelles méthodes et processus d’innovation sont nécessaires. Il s’agit d’innover plus vite, de décloisonner les organisations pour créer ainsi plus de valeur et atteindre de nouveaux marchés. En ce sens, l’ERPI va porter une attention particulière aux méthodes et outils de gestion de projet dits « agiles ».

De plus, dans un écosystème ouvert et cross-sectoriel, l’ERPI va poursuivre ses travaux permettant la co-construction pour, avec et par les utilisateurs de solutions qui répondent aux contraintes et évolutions du monde socio-économique. En effet, la notion de secteur industriel n’étant plus adaptée au développement technologique (qui est souvent inter-métiers), nous nous intéresserons donc à la notion de domaine technologique en étudiant la co-innovation entre acteurs « distants » en termes de compétences, mais complémentaires dans l’acte de conception/création.

Les ateliers scientifiques 2018

Le 25 Mai dernier, près de 80 personnes étaient présentes à la 7ième édition des Ateliers Scientifiques du Carnot. A l’instar de l’édition 2017, c’est en terres Vosgiennes que s’est tenue cette journée, sur le Campus Bois d’Épinal qui abrite notamment l’ENSTIB.

Événement récurrent pour les chercheurs du périmètre ICÉEL, ces Ateliers ont une fois de plus fais la part belle aux échanges entre chercheurs et industriels, mais avec un tout nouveau format testé pour l’occasion.

Un forum ouvert dédié à l’appel à projet Transverse

Cette journée a été l’occasion d’organiser un forum d’échanges dans le cadre de l’appel à projet transverse ICÉEL 2018. Ouvert à l’ensemble des chercheurs du périmètre, ces derniers ont présenté brièvement des idées de projets.

Suite à cela, ont été retenus 4 idées pouvant parfaitement répondre aux critères définis en amont :

  • Fédérer les 4 domaines d’activités ICÉEL
  • Adresser une problématique sociétale majeure
  • Générer des effets de levier de financement conséquent

La matinée s’est poursuivie par des échanges avec les chercheurs présents. Chacun était invité à contribuer via des suggestions de compétences, partenaires ou encore des pistes de financements.

Les 4 projets discutés :

  • BIOVALOR (valorisation énergétique de la matière organique issu de déchets et co-produits industriels) Porteur : Mathieu ETIENNE, LCPME
  • BIOPRINTING « APPLICABLE » (impression d’éléments organiques) Porteur : Fabio CRUZ, ERPI
  • AGROMINES (récupération d’éléments stratégiques) Porteur : Marie-Odille SIMONNOT, LRGP
  • SMART TCIS (Capteurs intégrés au sein des structures) Porteurs : Slah YAACOUBI, Institut de Soudure, Stéphane MANGIN, IJL

 

EXERGIA/LERMAB : un partenariat réussi

Suite au forum d’échanges, Michel LEFORT, président de la société EXERGIA (basée à GENLIS) est revenu sur le partenariat conclu depuis 2012 avec le LERMAB (représenté par Yann ROGAUME, directeur adjoint).

  1. LEFORT et ROGAUME nous ont notamment présenté les clés de la réussite de ce partenariat qui, à n’en pas douter se prolongera durant des années encore.

 

Session posters et retours de projets 

Comme pour chaque édition, les ateliers on donné lieu à un retour de projets soutenus par le Carnot sous la forme d’une session poster ainsi que de présentations en plénière.

Analyse et optimisation des propriétés électrochimiques de fibres carbonées produites par pyrolyse de lignine (LIGNELEC) – José VIVO-VILCHES – LCPME

Etude du microenvironnement bactérien dans un bioréacteur agité aéré en vue de la conception d’un simulateur de réacteur de biolixiviation (MODELIX) – Eric OLMOS – LRGP

Spin injection in blue light emitting diode based on GaN (BLUE SPIN LED) – Yan LU Institut Jean Lamour

Etude de la tenue en fluage d’assemblages soudés en aciers martensitiques à 9-12% Cr : endommagement et évaluation de la durée de vie résiduelle des pièces en service – Solenne COLLOMB (REPLIQUE) – Institut de Soudure

– Etude de pièces d’assemblage bois-bois ou bois-métal soumises à des contraintes non courantes – Eric MASSON – CRITT Bois

Nos projets de recherche

Comment modéliser la biolixiviation au service de l'industrie ?

Les programmes d’exploration et d’évaluation des ressources montrent la relance significative de l’activité de valorisation des ressources minérales primaires et secondaires (déchets miniers). Parallèlement, le traitement de ces ressources demeure une problématique majeure. Les gisements sont aujourd’hui de plus en plus complexes, de taille plus réduite, avec des teneurs limitées en métaux de valeur.

Dans ce contexte, la biolixiviation (extraction de ressources minérales sulfurées métallifères par voie biologique) est une alternative crédible qui permet tout en améliorant le bilan environnemental, de réduire les coûts de production et d’exploitation. Néanmoins pour envisager sa généralisation à un grande nombre d’applications, il est aujourd’hui nécessaire d’adapter les lois de dimensionnement et de conduite des réacteurs de biolixiviation aux caractéristiques des matériaux traités pour limiter les coûts d’investissements et les coûts opératoires, tout en maintenant un rendement d’extraction élevé.

Pour répondre aux objectifs précédents, un certain nombre de verrous scientifiques et technologiques doivent être levés. Ceux-ci concernent en particulier la description des phénomènes de transport et de transfert au sein des bioréacteurs (mélange, transfert gaz-liquide), la distribution des souches bactériennes entre les particules de minerai et la phase liquide, le choix de conditions opératoires adaptées (composition des gaz injectés, design des bioréacteurs).

Face aux contraintes de mise en œuvre des expériences de biolixiviation (matière première, pH), la disponibilité d’outils de modélisation et de dimensionnement de bioréacteurs de lixiviation constituerait donc un apport majeur, aussi bien d’un point de vue de l’ingénierie des bioprocédés que d’un point de vue économique. Néanmoins, actuellement, les connaissances relatives à la modélisation de ce type de procédé restent encore parcellaires.

Ainsi, pour répondre au mieux aux enjeux de valorisation et transfert de l’outil de simulation vers les industriels, les équipes de recherche propose une méthodologie en 4 étapes :

  1. Développer un modèle permettant de décrire les différents phénomènes de transport (mélange, transfert gaz/liquide, transfert liquide/solide, transport des réactifs) dans une cuve de biolixiviation agitée/aérée en lien avec l’activité biochimique, afin de simuler le microenvironnement bactérien et son évolution au cours d’une opération de biolixiviation. Les principaux verrous scientifiques soulevés par la mise au point de ce type de modèle sont liés aux couplages des différents phénomènes dans un milieu triphasique (gaz, liquide, solide) impliquant une composante biologique.
  2. Modéliser les cinétiques réactionnelles biologiques déterminées expérimentalement lors de la mise en œuvre de réactions de biolixiviation. Il sera en particulier important de déterminer la répartition des bactéries entre la phase liquide (cinétique homogène) et la surface des particules solides (cinétique hétérogène).
  3. Intégrer les modèles précédemment établis au sein d’une simulation hydro-cinétique visant à déterminer les champs de concentration en substrats et en produits. Cette intégration passera par I’identification des designs et des conditions opératoires de bioréacteur permettant d’augmenter ses performances d’extraction. Pour cela, les bilans de population seront appliqués afin de simuler (i) la distribution initiale et à l’équilibre des tailles de particules dans le bioréacteur, (ii) l’hétérogénéité des vitesses réactionnelles et de croissance.
  4. “Simplification / dégradation” du modèle complet en vue de son utilisation générique et de sa valorisation sous forme d’un module de simulation (en lien avec la société Caspeo, société commercialisation un logiciel de simulation). L’intégration du modèle hydro-cinétique dans un simulateur global de procédé tel que le logiciel USIM PAC nécessite une réduction importante des données de sortie du simulateur (distribution spatiale des vitesses ou des concentrations). Pour mener à bien cette réduction, dans le cas d’un régime hydrodynamique (limitation par le transfert) ou d’une mise en suspension hétérogène des particules, une approche zonale déduite des résultats du simulateur CFD-cinétique sera envisagée.

Le LRGP contribue de par ses compétences avancées :

  • De mise en oeuvre de bioréacteurs à l’échelle laboratoire et suivis cinétiques biologiques
  • Modélisation de cinétiques biologiques
  • Simulation numérique des écoulements en cuve agitée gaz-liquide avec réaction biologique (ANSYS)
  • Méso-modélisation par des approches de type DPD (Materials Studio).

Pour sa part, le BRGM intervient dans :

  • Le développement de bioprocédés basés sur l’exploitation des propriétés catalytiques des micro-organismes du sol et du sous-sol (en particulier les procédés de biolixiviation)
  • La mise en œuvre de bioréacteurs de l’échelle laboratoire à l’échelle pilote
  • L’identification et caractérisation des micro-organismes
  • L’étude de la biodiversité et de la dynamique des populations bactériennes dans les bioréacteurs.

L’utilisation d’outils de simulation numérique pour dimensionner les bioréacteurs et décrire leur fonctionnement est une approche très peu utilisée dans le domaine de la biolixiviation. Ainsi, à ce jour, les modules dédiés à la représentation des réacteurs de biolixiviation dans les logiciels commerciaux de simulation des procédés métallurgiques sont basés sur des modèles phénoménologiques. Une application potentielle de la thèse consistera à intégrer un module plus évolué, basé sur une description des mécanismes physico-chimiques et biologiques qui conditionnent le fonctionnement de ce type de réacteurs, dans le logiciel USIM PAC, développé par le BRGM et commercialisé par la société CASPEO.

Par ailleurs la maîtrise des transferts dans les réacteurs agités/aérés reste un enjeu majeur pour les sociétés qui développent et commercialisent des procédés de biolixiviation (Outotec pour le procédé BIOX®, HATCH…). Le développement d’un modèle de transport qui appréhende la complexité de ces phénomènes nous permettra de proposer aux entreprises du secteur de nouveaux moyens pour optimiser le dimensionnement et la conduite des réacteurs de biolixiviation et ainsi améliorer l’intérêt économique du procédé.

En améliorant la compréhension du fonctionnement de ces réacteurs, la thèse permettra également d’extrapoler à une échelle semi-industrielle puis industrielle les concepts originaux développés à l’échelle laboratoire par le BRGM (biolixiviation à fort taux de solide, utilisation d’oxygène pur pour les procédés basés sur l’utilisation de bactéries modérément thermophiles). Enfin cette thèse devrait nous permettre de proposer des améliorations, voire de nouveaux designs de réacteurs et d’agitateurs, ce qui pourra faire l’objet de dépôt de brevet.