Projet 3D-Biomat

Du nanomètre au centimètre : investigation 3D expérimentale et modélisation multiéchelle dédiée à l'innovation et au développement des fibres végétales et des matériaux biosourcés.

Le projet 3D-BioMat est au cœur de l'axe thématique Caractérisation et conversion des lignocellulosiques de la Chaire de Biotechnologie de CentraleSupélec. L'ambition de ce projet est d'assister par visualisation et simulation la conception et la fabrication de composites biosourcés.

L'idée forte est d’analyser la morphologie 3D de matières premières fibreuses et de matériaux composite pour mieux prédire leur comportement au cours des procédés et en usage, grâce au couplage imagerie-modélisation. Le projet est articulé autour d'un nano-tomographe de dernière génération (RX Solutions EasyTom XL Ultra 150-160), équipement remarquable avec résolution sub-micrométrique (équivalente à celle des lignes de tomographie synchrotron). Cette résolution permet d'observer la morphologie infra-cellulaire et le détail des interfaces fibres-matrice, facteurs clé du comportement de ces matériaux. En outre, en dégradant la résolution spatiale, des scans assez rapides peuvent être obtenus (de l'ordre de la minute). Le changement de source nécessaire entre ces deux modes est automatisé, ce qui permet de faire une vue d'ensemble rapide et de zoomer ensuite à haute résolution sur la zone d'intérêt. Cette possibilité est très utile pour des diagnostics sur des problématiques issues de l'industrie.

Cet équipement remarquable est au cœur de l'approche globale et prédictive en sciences des matériaux proposée dans ce projet. Par son aptitude à visualiser en 3D avec une très bonne résolution spatiale, l'outil est idéal pour caractériser à la fois la ressource végétale et la morphologie des différentes phases des matériaux après élaboration. Fort de ces descriptions 3D, des outils numériques de changement d'échelle en sciences des matériaux permettent de prédire les propriétés de ces matériaux. Très gourmandes en calcul intensif, ces simulations sont effectuées en collaboration avec le centre de calcul ROMEO. L'innovation en design de matériaux nécessite une étape supplémentaire, une approche d'ingénierie réverse, afin de définir les éléments constitutifs et la meilleure façon de les assembler pour obtenir des matériaux aux performances désirées (coût, procédé d'élaboration, performances techniques, etc.).

La capacité du tomographe de réaliser des images 4D (observation 3D en fonction du temps en réponse à des chargements hydriques ou mécaniques) permet à la fois de valider les modèles prédictifs et de tester in situ des matériaux issus de l'industrie. Par ailleurs, en complément du périmètre strict du projet 3D-BioMat, l’utilisation d’une imprimante 3D (3DSYSTEMS® ProJet® 3500 HDMax) à technologie de modelage à jets multiples (MJM) permet la réalisation de modèles agrandis des morphologies scannées, en vue de répondre à des besoins de recherche (observation des maquettes sous contraintes) ou pédagogiques. Cette imprimante 3D est cofinancée par la Chaire de Biotechnologie de CentraleSupélec, l’Université de Reims Champagne-Ardenne et Grand Reims. La synergie entre le nano-tomographe à rayons X, les équipements de fabrication additive et les outils numériques associés est dédiée à la R&D, mais est aussi utile en formation pour illustrer les avancées en sciences des matériaux (navigation virtuelle au sein des matériaux, visualisation de défauts de fabrication ou du vieillissement, observation de la ruine d'un matériau lors d'un essai de traction, visualisation de la pénétration de l'eau, etc.). Pour favoriser la création de connaissances et accompagner le développement économique des acteurs du territoire, 3D-BioMat s’appuiera à la fois sur l’expertise historique de la Chaire de Biotechnologie et sur des scientifiques spécifiquement recrutés dans le cadre ce projet.