Une classe , un chercheur, un enseignant

Les participants:

La classe de seconde 12 ABIBAC du lycée Gustave Flaubert des Hauts de Rouen.

Le chercheur Philippe PAREIGE, directeur du laboratoire de recherche le Groupe de Physique des Matériaux.

Notre professeur Christophe LEMONNIER, professeur de physique chimie au lycée Gustave Flaubert.

Le plan:

• La première visite du chercheur dans notre classe;

• La visite du laboratoire de recherche GPM et microscopie;

• Une application: la fabrication additive.

Philippe Pareige

Première visite du chercheur dans notre classe.

Directeur du groupe de physique des matériaux, un laboratoire situé au Madrillet.

L’université de Rouen

Quelques statistiques sur les vœux post-bac

Vœux 1 sur APB 2017

Visite du laboratoire de recherche GPM et Microscopie

Site du Madrillet

GPM signifie « Groupe de Physique des Matériaux »

Il se partage entre le CNRS, l'INSA de Rouen et l'Université de Rouen

6500m² des locaux de la Faculté des Sciences de l'Université

500m² de l'INSA

170 personnes

62 chercheurs et enseignants-chercheurs

30 Ingénieurs, Techniciens et Administratifs

62 doctorants

16 post-doctorants, chercheurs invités et stagiaires de Licences / Masters

Le laboratoire est structuré en 5 départements Scientifiques et est reconnu au niveau international pour ses travaux selon les thématiques suivantes:

L’Instrumentation Scientifique : l’atome sous champ intense et rayonnements.Le laboratoire développe, depuis sa création (1967) : la Sonde Atomique Tomographique

Métallurgie : Vieillissement et Mécanique : de l’atome à la structure

Nanostructures des Nanosciences et Nanotechnologies : de l’atome à la fonction.

Systèmes Désordonnés et Polymères : de la macromolécule aux polymères.

Nanoparticules, Caractérisation, Environnement : impact des nanoparticules sur l’environnement et la santé.

Les instruments scientifiques au GPM du Madrillet

Le Groupe de Physique des Matériaux (GPM) possède une plateforme expérimentale permettant l'observation et l'analyse des matériaux de l'échelle atomique aux échelles macroscopiques. Le couplage de ces différentes techniques permet d'étudier les structures, microstructures et nanostructures des matériaux métalliques, semi-conducteurs, céramiques, oxydes et aussi des verres. Ces observations sont souvent couplées à des modélisations aux mêmes échelles (de l'atome à la structure).Par ailleurs, le laboratoire développe une recherche instrumentale de haut niveau autour de son instrument phare : la sonde atomique tomographique. Un large volet interaction laser/matière est également traité pour aider au développement de nouvelles techniques.Ainsi, les relations structures / propriétés des matériaux sont définies permettant de comprendre à court ou long terme le comportement et la fiabillité de ces matériaux.

Les techniques d'investigation utilisées ( Microscopie Électronique en Balayage et à Transmission, nano-usinage par FIB, Spectrométries Mössbauer et optiques, Rayons X, Sonde atomique tomographique, spectroscopies UV, IR, Raman) permettant d'étudier les matériaux jusqu'à l'échelle ultime, celle de l'atome.Il est possible de proposer des essais mécaniques (duromètres, machines de traction classique et une machine unique de traction-torsion, température et éprouvette tubulaie sous pression)

La sonde atomique tomographiqueLa sonde atomique tomographique est un microscope analytique tridimensionnel de haute résolution qui permet d'observer la distribution spatiale des atomes dans un matériau. Son principe de fonctionnement repose sur l'évaporation par effet de champ des atomes de surface d'un échantillon. Cette technique d'analyse entre dans la catégorie plus vaste des microscopes à effet de champ (field emission microscope), elle consiste à évaporer sous forme d'ions les atomes de la surface d'un échantillon par un champ électrique très intense. L'échantillon est alors évaporé atome par atome, couche atomique par couche atomique. Les atomes évaporés sont collectés par un détecteur d'ions qui permet de connaitre la nature chimique de chaque atome par spectrométrie de masse à temps de vol et de déterminer leur position initiale dans le matériau. On obtient donc une cartographie de la distribution des atomes dans l'échantillon avec une résolution atomique.

La fabrication additive

Principe de la fabrication additive :

Fabrication soustractive = enlever de la matière d’un gros bloc

Fabrication additive = créer l’objet directement avec la matière

Contexte historique et technique :

Fabrication additive : découverte dans les années 1990 (brevet 1992)

Contexte historique et technique :

Objectif initial : avoir un matériau léger et résistant (référence au module d’Young)

Idée de changer la méthode de fabrication venue après…

Projets devenus envisageables avec l’impression 3D :

La « Bio-impression » = imprimer des organes fonctionnels en 3D (encore loin)

La création de matériaux auxétiques qui s’élargissent quand

on tire dessus

Quels sont les avantages de la fabrication additive ?

Avantage de l’impression 3D numéro 1 : le coût

Coût adapté à la fabrication de pièces complexes + petite quantité

Avantage numéro 2 : la diversité des pièces

Machine contrôlée par un programmeinformatique + pas de contrainte de construction

→ possibilités infinies !

Exemples :

… une base lunaire directement imprimable sur place…

Des prothèses ou autres appareils médicaux …

… ou bien la statue du président américain !

Une méthode de fabrication additive : le laser

La fusion par laser :

• On installe un lit de poudre (polymère, métal, etc…) sur un support et un laser vient faire fondre la poudre, qui se solidifier par la suite

• Le laser doit être suffisament puissant pour faire fondre certains métaux (jusqu’à 2000°C) : de 400 à 1000 W !

Comment calculer la puissance d’un laser ?

À savoir :La lumière est une onde électromagnétique, mais aussi un déplacement de particules : c’est la

dualité onde-particules.

Laser de caisse : Laser YAG impression 3D :

λ= 650 nm Puissance = 0,001 W

λ=1064 nmPuissance = 1000 W

Comparons deux types de lasers bien différents :

∆𝐸 =6,63×10−34×3×108

6,5×10−7 = 3,1 ×10-19 Joulesf =

1

𝑇ou f =

𝑐

λ(Hertz)

Énergie d’un proton =

ΔE = h×f = ℎ𝑐

𝜆

Partie calculs :Pour chaque laser on cherche n c’est-à-dire le nombre de photons projetés par le laser en une seconde

𝑐 = 3 × 108 km/s

h =6,63 × 10-34 (constante de Planck)

𝑛 =𝑃

∆𝐸=

10−3

3,1 × 10−19= 𝟑, 𝟐 × 𝟏𝟎𝟏𝟓 𝐩𝐡/𝐬

P= n × ΔE

Pour le laser de caisse :

Pour le laser YAG de fabrication additive :

𝑛 =𝑃

∆𝐸=

𝜆𝑃

ℎ𝑐=

10,64×10−7×103

6,62×10−34×3×108 = 𝟓, 𝟑 × 𝟏𝟎𝟐𝟏 ph/s

En comparaison, scanner une boîte d’œufs avec un laser YAG…

… les ferait cuire instantanément !!!

… qui projette quand même 1 × 106 plus de photons et sur une cible très petite…

En conclusion……….

Conclusion: