Caractérisation et modélisation de structures lattices obtenues par fabrication additive : application aux équipements sportifs absorbeurs de chocs

Characterisation and modeling of additive manufactured lattice structures : application to shock-absorbing sports equipment

• Auteur / Autrice : Valentin Hassaine Daouadji
• Direction : Mathias Brieu, Jean-François Witz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie civil, énergétique, matériaux
• Date : Soutenance le 12/06/2020
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille, multiphysique multiéchelle - Laboratoire de Mécanique Multiphysique Multiéchelle / LaMcube
• Jury : Président / Présidente : Éric Charkaluk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Bahlouli, Rui, Pedro Carreira
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Orgéas, Alain Bernard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Casques de protection

Chaussures de sport

Mousses (matériaux)

Analyse numérique

Polymères

Impression 3D

Mots clés libres

Lattice

Fabrication additive polymère

Modélisation

Structure architecturée

Dialogue essais-modèles

Sport

Lattice

Polymeric additive manufacturing

Modeling

Architectured material

Tests-modeling comparison

Sport

Résumé

L’émergence des techniques de fabrication additive permet de réaliser des structures lattices de géométries complexes. Leur potentiel, en termes de légèreté, d’absorption des chocs, de personnalisation et de design attise l'intérêt de l'équipementier sportif DECATHLON, qui envisage ces méso-structures pour des applications casques et chaussures. Ce travail étudie le comportement de différentes géométries de lattices soumises à des chargements de compression.Dans une première partie, la faisabilité technique de produits sportifs en lattices a été évaluée par des compressions statiques et des impacts dynamiques adaptés aux normes casques et chaussures. Cette étude préliminaire a permis de mettre en évidence l’intérêt des lattices dans les applications sportives.La deuxième phase de ce travail a consisté à développer des modèles et méthodes de dimensionnement de lattices. Le comportement mécanique de lattices octets réalisées en deux matériaux (PA12 et TPU) a été caractérisé. La géométrie et le respect dimensionnel de ces structures ainsi que la quantification des champs cinématiques sous sollicitations ont été analysés par micro-tomographie.Un modèle numérique réalisé sous un code éléments finis a ensuite été proposé. Une confrontation aux observations expérimentales a permis d'évaluer la pertinence du modèle. Pour une meilleure représentativité des zones de jonction des poutres (les vertices), et donc une meilleure exploitation des modélisations, une rigidification locale aux vertices est étudiée par un plan d'expérience numérique.

Additive manufacturing enables the production of complex parts such as lattice structures. Their potential, in terms of lightness, improved impact performances, customization and design, draws the attention of the sports equipment manufacturer DECATHLON, who is considering these meso-structures for helmets and shoes applications. This study focuses on the behaviour of several lattices subjected to compressive loading.A preliminary experimental phase identified the behaviour of two materials (PA12 and TPU) produced by a laser sintering process (SLS). The technical feasibility of lattices structures in sports products was then evaluated using static compressions and dynamic impacts adapted to helmet and footwear standards.The second stage of the study consists in developing numerical tools for the design of lattices structures. Several lattices were produced. There mechanical behaviour was characterized in several aspects: the static response under compressive loadings was compared to foams conventionally used for energy absorption; the dimensional stability of the structures and the quantification of the kinematic fields under stress were assessed by micro-tomography.Thanks to these observations, the relevance of a numerical lattice model realized under a finite element code was evaluated. Its lack of representativeness of the junction zones of the beams (the vertices) limits its use. Nevertheless, a local stiffening at the vertices, studied by a numerical design of experiment, greatly improved the modeling.