M. Zielinski, étudiant de 5e année en génie mécanique, revient sur son projet de recherche technologique effectué le semestre passé. Il avait pour but de simuler le comportement d’un métal sous l’impulsion d’un laser.
Dans le cadre de la 5e année à l’INSA de Strasbourg, les étudiants des différentes spécialités participent à des Projets de Recherche Technologique (PRT). Ces projets d’un volume horaire d’une demi-journée par semaine sont réalisés par des étudiants seuls ou en binômes et peuvent être réalisés de façon transdisciplinaires (association d’un étudiant en génie mécanique et mécatronique par exemple).
Ce PRT se base sur la réalisation d’un modèle sur COMSOL Multiphysics afin de simuler le comportement d’un métal sous l’impulsion d’un laser. Il a été réalisé au sein de la plateforme d’ondes et de vibrations située à l’INSA Strasbourg.
Le but du modèle est de permettre d’observer une différence de comportement de la matière entre un régime laser femtosecondes et un régime nanosecondes. La matière est représentée au travers de l’utilisation d’un système d’équations aux dérivées partielles non-linéaires couplées entre elles (Modèle à Deux Températures – MDT). Ce type de système ne peut être résolu de manière analytique, il nécessite l’utilisation de la simulation numérique. Pour simuler ce système d’équation le modèle se base sur l’utilisation du module « Mathématique » au sein du logiciel. Ce module peut permettre la résolution de systèmes mathématiques complexes.
La simulation obtenue permet d’observer la différence de comportement de la matière selon le régime impulsionnel utilisé pour le laser.
On observe une dissociation de la température électronique et la température ionique des métaux. Lors d’une impulsion laser en nanosecondes, la température électronique et ionique possèdent le même comportement avec une zone impactée plus importante que la zone impactée initialement par le laser. A contrario, lors d’une impulsion femtoseconde, la température électronique et ionique du métal est dissociée. La température électronique réagit à l’impulsion alors que la température du réseau ionique possède un « retard » par rapport à l’impulsion. De plus, la zone affectée par l’impulsion laser est réduite par rapport à une impulsion nanoseconde.
Ce travail peut permettre de simuler les zones affectées thermiquement au sein d’un métal. Il permet de montrer l’intérêt de travailler avec des lasers femtosecondes dans le cadre de découpes laser ou soudure laser, ou de tout autre domaine dans lequel on souhaite réduire la zone affectée thermiquement des métaux.
Témoignage de Benjamin Zielinski – élève de 5e année en génie mécanique:
Ce projet m’intéressait initialement car il me permettait d’apprendre à utiliser un nouveau logiciel de simulation (COMSOL Multiphysics). De plus, ce sujet me permettait d’approfondir mes connaissances dans le domaine des matériaux et d’offrir une vision différente dans la résolution d’un problème technique.
J’ai ainsi pu manipuler un système mathématique non-usuel composé d’équations aux dérivées partielles non-linéaires et couplées entre elles. Il m’a permis d’augmenter mes compétences scientifiques sur la compréhension de ce type de système. On les retrouve fréquemment au sein de modèles physiques dans différentes disciplines. La création d’un modèle numérique nécessite de comprendre les phénomènes physiques agissant dans l’expérimentation afin de pouvoir le simplifier (afin de réduire la puissance de calcul nécessaire) tout en obtenant des résultats satisfaisants.
Le fait d’obtenir des simulations convergentes et des résultats cohérents sur un problème complexe de ce type représente une sensation de victoire.
Ce projet m’a apporté de nombreuses connaissances et je souhaite remercier MM Engel et Gerard pour leur confiance et soutien sur ce projet.
Image à la une : Shutterstock.