De la question au procédé
Laboratoire de simulation
À chaque question de physique correspond un procédé industriel qui la valorise. Le laboratoire de simulation modélise ces procédés de la matière première au produit fini.
Une chaîne simulée n'est pas une maquette commerciale : c'est un modèle physique du procédé, prolongé par un modèle de flux et un modèle économique, dont chaque hypothèse est traçable jusqu'à une mesure ou à un calcul de l'axe correspondant.
Structure commune à chaque chaîne
- 01
Modèle physique du procédé
De l'échelle atomique à l'échelle continue selon l'axe : structure électronique, cinétique, transferts couplés, mécanique.
- 02
Modèle de flux de production
Débit, rendement matière, pannes, stocks, consommation énergétique et goulots d'étranglement de la ligne.
- 03
Modèle économique
CAPEX, OPEX, coût unitaire et seuil de rentabilité, avec la sensibilité aux hypothèses physiques.
- 04
Validation
Un pilote de laboratoire ou une campagne de mesures chez un partenaire industriel. Sans elle, la chaîne reste une hypothèse.
- 05
Livrable
Une étude de faisabilité, une pièce de showroom et un article. Les trois, pas l'un des trois.
Les douze chaînes
- 01Ligne d'assemblage de cellules sodium-ion, plomb-carbone et à flux
- 02Ligne d'encapsulation photovoltaïque et laboratoire de qualification
- 03Ligne de synthèse et de modules thermoélectriques, intégration sur site
- 04Unité de pyrolyse, de gazéification et de briquetage
- 05Ferme de mini-centrales au fil de l'eau
- 06Ligne de tropicalisation de cartes et laboratoire d'essais accélérés
- 07Ligne d'assemblage de modules de puissance SiC et GaN
- 08Production de parafoudres ZnO et protection de sites
- 09Chaînes minerai → matériau électronique
- 10Le laboratoire lui-même, et les études de faisabilité
- 11Chaîne d'étalonnage et flux d'un laboratoire de métrologie
- 12Production d'isolants biosourcés et de matériaux à changement de phase
Ligne d'assemblage de cellules sodium-ion, plomb-carbone et à flux
De la co-précipitation du précurseur à la formation électrochimique de la cellule.
Découle de
Physique des batteries sans lithium →
Procédé
- Synthèse de cathode par co-précipitation, puis calcination
- Formulation d'encre et enduction des électrodes
- Séchage et calandrage
- Assemblage de cellule et remplissage d'électrolyte
- Formation électrochimique et tri
Physique simulée
- Cinétique de calcination : bilan thermique du four et transformation de phase du précurseur
- Séchage des électrodes : transfert couplé chaleur–masse, migration du liant, seuil de fissuration
- Formation et cyclage : modèle P2D avec mécanismes de dégradation
- Propagation de la variabilité du précurseur jusqu'à la dispersion de capacité en fin de ligne
Sorties du modèle
- Rendement matière par étape et à l'échelle de la ligne
- Consommation énergétique par kWh de cellule produite
- Coût unitaire et seuil de rentabilité
- Sensibilité de la capacité et de la durée de vie à la pureté du précurseur
Validation
Cellules en format bouton et en format pochette assemblées au laboratoire à partir de poudres synthétisées sur place, cyclées en enceinte thermique régulée.
Ligne d'encapsulation photovoltaïque et laboratoire de qualification
Lamination, mise en cadre et essais de qualification calibrés sur trois profils climatiques.
Découle de
Photovoltaïque en climat tropical humide →
Procédé
- Lamination des encapsulants EVA ou POE
- Pose du cadre et de la boîte de jonction
- Essai de chaleur humide 85 °C / 85 % HR
- Cycles thermiques et exposition ultraviolette
- Traçage I–V et imagerie par électroluminescence en fin de ligne
Physique simulée
- Diffusion d'humidité dans les encapsulants : loi de Fick, sorption, chemin de perméation par les bords
- Contraintes thermomécaniques de l'empilement : délamination, fissuration des cellules, fatigue des rubans
- Rendement énergétique sous rayonnement diffus dominant, sur trois profils climatiques : littoral humide, plateau équatorial, soudano-sahélien
- Facteur d'accélération entre l'essai normalisé et l'exposition réelle
Sorties du modèle
- Durée de vie prédite par profil climatique
- Débit et planning d'un laboratoire d'essais accélérés
- Cahier des charges d'encapsulants adaptés au tropical humide
- Écart de productible entre modèle standard et modèle à diffus dominant
Validation
Confrontation du modèle de vieillissement aux modules du champ d'exposition extérieur, mesurés en continu.
Ligne de synthèse et de modules thermoélectriques, intégration sur site
Du criblage ab initio d'un composé à l'échangeur monté sur une cheminée ou un échappement diesel.
Découle de
Thermoélectricité et récupération de chaleur fatale →
Procédé
- Mécanosynthèse ou fusion des composés
- Frittage flash ou pressage à chaud
- Découpe des jambes et métallisation
- Brasage et assemblage des modules
- Intégration de l'échangeur sur la source de chaleur
Physique simulée
- Criblage ab initio du facteur de mérite : structure de bande, transport électronique, conductivité de réseau
- Frittage : densification, croissance de grains, gradients thermiques dans la matrice
- Modèle électrothermique du module complet, pertes de contact comprises
- Simulation des écoulements et des échanges dans l'échangeur, sur cheminée de cimenterie ou échappement de groupe diesel
Sorties du modèle
- Puissance réellement récupérable par type de source industrielle
- Coût du watt thermoélectrique installé
- Retour sur investissement et sensibilité au prix de l'électricité
- Durée de vie du module sous gradient permanent
Validation
Un module assemblé au laboratoire, instrumenté sur une source de chaleur réelle chez un partenaire industriel.
Unité de pyrolyse, de gazéification et de briquetage
De la collecte saisonnière des résidus au gaz épuré alimentant un moteur ou une chaudière.
Découle de
Physique des matériaux pour la biomasse et la combustion →
Procédé
- Collecte et stockage des résidus de cacao, de palmier et de riz
- Séchage et broyage
- Pyrolyse ou gazéification en lit fixe ou fluidisé
- Épuration des goudrons et refroidissement du gaz
- Moteur à gaz ou chaudière ; briquetage du charbon vert
Physique simulée
- Cinétique de pyrolyse : mécanismes réactifs détaillés réduits en modèles exploitables à l'échelle du réacteur
- Lit fixe ou fluidisé : transferts couplés chaleur–matière, régime limitant, formation et craquage des goudrons
- Bilan énergétique complet de l'unité, du séchage au moteur
- Logistique d'approvisionnement sous saisonnalité de récolte et d'humidité
Sorties du modèle
- Dimensionnement d'unités de 50 kW à 2 MW pour une coopérative agricole ou une huilerie
- Rendement gaz et pouvoir calorifique en fonction de l'humidité du gisement
- Coût du kWh produit et seuil de rentabilité
- Taille de stock nécessaire pour absorber la saisonnalité
Validation
Réacteur tubulaire et gazéifieur de paillasse instrumentés, alimentés par les résidus caractérisés en thermogravimétrie.
Ferme de mini-centrales au fil de l'eau
De l'hydrologie d'un bassin non jaugé au pré-dimensionnement d'une turbine fabricable en série.
Découle de
Hydrologie physique et petite hydraulique →
Procédé
- Sélection et instrumentation de site
- Conception de la turbine basse chute
- Fabrication : fonderie, usinage, équilibrage
- Génie civil de prise d'eau et de canal
- Raccordement et exploitation du mini-réseau
Physique simulée
- Hydrologie du bassin à partir des séries pluviométriques : pluie–débit, crues et étiages sous variabilité climatique
- Écoulement dans les turbines Kaplan et Banki basse chute : décollement, cavitation, rendement hors point nominal
- Stabilité du mini-réseau : régulation de fréquence, appels de charge, îlotage
- Production annuelle probabiliste et incertitude sur site non jaugé
Sorties du modèle
- Atlas de sites simulés, classés par productible et par incertitude
- Courbes de production probabilistes plutôt qu'une valeur unique
- Pré-dimensionnement standardisé pour une fabrication en série
- Coût du kWh par gamme de puissance
Validation
Banc hydraulique réduit au laboratoire et jaugeages de contrôle sur les bassins instrumentés.
Ligne de tropicalisation de cartes et laboratoire d'essais accélérés
Du vernis conforme appliqué sur une carte à la durée de vie prédite par classe de produit.
Découle de
Physique de la fiabilité en environnement tropical →
Procédé
- Nettoyage et contrôle de contamination ionique résiduelle
- Vernissage conforme ou enrobage
- Essais HAST et cycles thermiques
- Brouillard salin pour les cartes en ambiance côtière
- Analyse de défaillance des cartes sorties d'essai
Physique simulée
- Diffusion d'humidité dans les vernis et les enrobages, et contraintes internes induites par la reprise d'eau
- Électromigration dans les interconnexions sous forte densité de courant
- Fatigue thermomécanique des joints de brasure par éléments finis, sous cycles couplés chaleur–humidité
- Corrosion électrochimique et migration électrolytique sous condensation
Sorties du modèle
- Durée de vie par classe de produit et par profil climatique
- Protocole de qualification opposable, avec ses facteurs d'accélération
- Capacité, débit et coût d'un laboratoire d'essais accélérés
- Gain de durée de vie apporté par chaque niveau de tropicalisation
Validation
Véhicules de test vieillis en enceinte cyclée, confrontés aux défaillances relevées sur les cartes collectées en service.
Ligne d'assemblage de modules de puissance SiC et GaN
Du défaut d'interface calculé en DFT à la température de jonction d'un onduleur à 40 °C ambiant.
Découle de
Semi-conducteurs à grand gap pour l'électronique de puissance →
Procédé
- Report de puces sur substrat céramique métallisé
- Frittage argent des attaches
- Câblage par fils ou par lame
- Encapsulation et gélification
- Test électrique et tri thermique
Physique simulée
- Défauts et états d'interface calculés ab initio, reliés à la dérive de tension de seuil
- Modèle électrothermique du module : résistance thermique de jonction, couplage entre puces
- Contraintes thermomécaniques de l'empilement puce–attache–substrat en cyclage actif
- Simulation circuit des convertisseurs solaires alimentés par ces modules
Sorties du modèle
- Température de jonction en fonctionnement sous 40 °C ambiant
- Dérive des pertes au cours de la vie du module
- Durée de vie en nombre de cycles actifs
- Rendement de conversion d'un onduleur complet
Validation
Composants du commerce caractérisés en I–V–T et en spectroscopie de niveaux profonds, puis vieillis sous polarisation et température.
Production de parafoudres ZnO et protection de sites
Du joint de grains d'une céramique au dimensionnement de la protection d'une ligne ou d'une usine.
Découle de
Physique des décharges et de la foudre →
Procédé
- Mise en forme des varistances : pressage des poudres d'oxyde de zinc dopées
- Frittage et métallisation des faces
- Assemblage en colonne et enveloppe
- Essais d'impulsion de courant et de tenue en énergie
- Conception de la protection de site : lignes, stations, usines
Physique simulée
- Frittage des céramiques ZnO : microstructure, chimie des joints de grains, dispersion de la tension de seuil
- Réponse électrique non linéaire du réseau de joints, et dégradation sous impulsions répétées
- Couplage électromagnétique foudre–ligne par différences finies dans le domaine temporel et par théorie des lignes
- Cartographie du risque à partir des densités de foudroiement mesurées
Sorties du modèle
- Cahier de fabrication des varistances : composition, cycle de frittage, tolérances
- Dimensionnement de la protection par site industriel
- Catalogue de produits par niveau de tenue en énergie
- Taux de défaillance évité, en regard du coût de la protection
Validation
Varistances frittées au laboratoire, soumises au générateur d'impulsions, et perturbations enregistrées sur des lignes de distribution instrumentées.
Chaînes minerai → matériau électronique
Bauxite → alumine → céramiques ; fer → tôles magnétiques ; rutile → oxydes conducteurs.
Découle de
Matériaux électroniques à partir de ressources abondantes →
Procédé
- Concentration et purification du minerai
- Conversion en oxyde ou en poudre métallurgique
- Frittage des céramiques, ou laminage et recuit des tôles
- Dépôt de couches minces pour les oxydes conducteurs
- Contrôle de composition et de propriétés fonctionnelles
Physique simulée
- Thermodynamique des procédés d'extraction et de réduction, diagrammes d'Ellingham et bilans matière
- Frittage et développement de microstructure, effet des impuretés résiduelles
- Propriétés magnétiques par modélisation micromagnétique : pertes par hystérésis et par courants de Foucault
- Structure de bande et dopage des oxydes conducteurs, compromis conductivité–transparence
Sorties du modèle
- Flux de matière et d'énergie de la chaîne complète
- Pureté atteignable par étape, et seuil d'impureté rédhibitoire
- Coût par tonne, comparé au prix du matériau importé
- Consommation énergétique par kilogramme de matériau fonctionnel
Validation
Poudres et céramiques synthétisées au laboratoire à partir d'échantillons de minerai analysés, caractérisées en composition et en propriétés.
Le laboratoire lui-même, et les études de faisabilité
L'infrastructure de calcul qui porte les onze autres chaînes, et l'étude de faisabilité qu'elle permet de vendre.
Découle de
Physique computationnelle →
Procédé
- Construction du modèle physique du procédé, à l'échelle pertinente
- Couplage au modèle de flux de production
- Couplage au modèle économique et analyse de sensibilité
- Quantification d'incertitude et propagation jusqu'aux indicateurs de sortie
- Restitution : étude de faisabilité, jeux de données et code publiés
Physique simulée
- Structure électronique, phonons et défauts, aux niveaux de théorie adaptés à chaque système
- Dynamique moléculaire et potentiels interatomiques appris pour les échelles intermédiaires
- Simulation multiphysique continue : thermique, électrique, mécanique, fluide
- Réduction de modèle : quel niveau conserve le pouvoir prédictif sur la durée d'un procédé
Sorties du modèle
- Une étude de faisabilité chiffrée par chaîne, hypothèses physiques traçables
- Des modèles réutilisables et versionnés, publiés avec les articles
- Le dimensionnement de l'infrastructure de calcul nécessaire à chaque chaîne
- Une capacité d'étude de faisabilité ouverte à tout porteur de projet
Validation
Chaque modèle est confronté au pilote de laboratoire ou à la campagne de mesures de sa chaîne. Un modèle non confronté n'est pas livré.
Chaîne d'étalonnage et flux d'un laboratoire de métrologie
Propagation des incertitudes du haut de la chaîne à l'instrument de terrain, et débit du laboratoire.
Découle de
Métrologie et étalons secondaires →
Procédé
- Raccordement des références de transfert à un étalon de rang supérieur
- Étalonnage des étalons de travail
- Étalonnage des instruments de terrain et des bancs d'essai
- Recalibration périodique et suivi de dérive
- Comparaison interlaboratoires
Physique simulée
- Propagation des incertitudes le long de la chaîne, corrélations comprises
- Modèles de dérive instrumentale sous température et humidité non contrôlées
- Optimisation de la fréquence de recalibration au regard du risque de non-conformité
- Statistique des valeurs de référence dans une comparaison à faible effectif
Sorties du modèle
- Budget d'incertitude complet par grandeur et par niveau de la chaîne
- Intervalle de recalibration optimal par famille d'instruments
- Débit, files d'attente et effectif d'un laboratoire de métrologie
- Coût d'un étalonnage traçable, par grandeur
Validation
Suivi de dérive des références de transfert du laboratoire et participation à une comparaison interlaboratoires.
Production d'isolants biosourcés et de matériaux à changement de phase
Du procédé de fabrication à l'économie de climatisation chiffrée sur un bâtiment réel.
Découle de
Matériaux de construction et thermique du bâtiment →
Procédé
- Préparation des fibres et des granulats biosourcés
- Formulation et liant, mise en panneau ou en bloc
- Encapsulation des matériaux à changement de phase
- Séchage et stabilisation
- Contrôle de conductivité thermique et de tenue à l'humidité
Physique simulée
- Conductivité et diffusivité thermiques en fonction de la teneur en eau, et stabilité de ces propriétés
- Transferts couplés chaleur–humidité dans les parois
- Calorimétrie et cinétique de fusion des matériaux à changement de phase à faible amplitude thermique
- Simulation thermique dynamique du bâtiment complet, charge de climatisation heure par heure
Sorties du modèle
- Économie de climatisation par type de bâtiment et par profil climatique
- Coût du mètre carré isolé et temps de retour
- Cahier des charges du procédé de fabrication
- Comparaison avec les isolants importés, à performance et à humidité égales
Validation
Cellules test instrumentées en conditions réelles et mesures en boîte chaude calibrée sur les matériaux produits.
Une étude de faisabilité sur l'une de ces chaînes, ou sur un procédé voisin, se discute directement.