Développement d'actionneurs électroactifs en polymère pour miroir de nouvelle génération : Live-Mirror

Development of electroactive polymer actuators for next generation mirror : Live-Mirror

• Auteur / Autrice : Kritsadi Thetpraphi
• Direction : Jean-Fabien Capsal, Lionel Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique - Génie électrique
• Date : Soutenance le 15/07/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA) - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité / LGEF
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Cavaillé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Fabien Capsal, Lionel Petit, Jean-Yves Cavaillé, Eric Dantras, Chatchai Putson, Annie Colin, Maud Langlois, Juan Uson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Dantras, Chatchai Putson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Actionneurs

Copolymères

Composites polymères

Capteurs piézoélectriques

Mots clés libres

Electronique

Matériau électroactif

Terpolymère

Capteur

Structure multicouche

Miroir déformable

Optique active

Miroir

Impression 4D

Astronomie

Fabrication additive

Télécommunications optiques

Electronics

Electroactive polymer

Terpolymer

Sensor

Multilayer structure

Deformable mirror

Active optic

Mirror

4D printing

Astronomy

Additive Manufacturing

Optical telcommunications

Résumé

Nous avons développé une technologie nouvelle et interdisciplinaire pour créer des systèmes optiques à base de métamatériaux extrêmement légers, limités par la diffraction, avec une qualité optique exceptionnelle et un coût et un temps de production spectaculairement inférieurs : Live-Mirror. La nouveauté est de remplacer les miroirs optiques rigides et lourds classiques par des systèmes optoélectroniques dynamiques « vivants » et légers constitués d'une fine feuille de verre optique activement soutenue par plusieurs actionneurs / capteurs de force intégrés et miniaturisés via la fabrication additive et l'impression 3D. Nos fonctionnalités révolutionnaires Live-Mirror et le contrôle actif de la forme avec des actionneurs de force à plusieurs degrés de liberté obtenus en développant une technologie additive basée sur l'impression 3D pour appliquer un système optimisé de polymère électroactif (EAP) à un sandwich de surfaces de verre minces, ainsi créant un nouveau métamatériau hybride avec des propriétés de rapport rigidité / densité supérieures. Cette thèse décrit le développement d'actionneurs souples à base d'EAP modifiés / dopés, ici appelés terpolymère P (VDF-TrFE-CFE). Nous montrerons que cette nouvelle matrice de terpolymère personnalisée Live-Mirror présente une propriété de couplage électromécanique exceptionnelle, en particulier lorsqu'elle est dopée avec un plastifiant, par ex. phtalate de diisononyle (DINP). Ici, nous démontrons qu'en optimisant la conception multicouche structurée, le couplage électromécanique du terpolymère modifié peut être amélioré, offrant une permittivité diélectrique élevée, un module d'Young faible et une rigidité diélectrique exceptionnelle. Cela conduit à une réponse de déformation importante ainsi qu'à une densité d'énergie mécanique élevée sous des champs électriques relativement faibles selon le phénomène d'électrostriction - l'objectif principal des spécifications de haut niveau de Live-Mirror. En plus d'une matrice de terpolymère personnalisée, le concept de multicouches empilées est démontré comme une technique simple et efficace pour augmenter les capacités d'actionnement. Plusieurs résultats expérimentaux de preuve de concept imprimés en 3D (en laboratoire), qui sont en bon accord avec les modèles numériques, valident les performances de l'actionneur avec une grande réponse électromécanique. Cette technologie montre la faisabilité d'un contrôle actif de la forme de la surface optique et montre le contrôle et la correction de la forme optique Live-Mirror avec seulement quelques degrés de liberté. Une telle application d'actionneur novatrice et avancée via une technologie de fabrication additive est compatible avec les télescopes d'astronomie et de communication basés au sol et dans l'espace ainsi que de nombreux appareils électroniques modernes.

We have developed new and interdisciplinary technology for creating extremely lightweight, diffraction-limited, meta-material-based optical systems with exceptional optical quality and spectacularly lower cost and production time: Live-Mirror. The novelty is to replace classical rigid and heavy optical mirrors with “live” and light dynamic optoelectronic systems consisting of a thin optical glass sheet actively supported by multiple force-actuators/sensors integrated and miniaturized via additive manufacturing and 3D printing. Our breakthrough Live-Mirror features and active shape control with many-degrees-of-freedom force actuators achieved by developing an additive 3D-printing-based technology to apply an optimized electroactive polymer (EAP) systems to a sandwich of thin glass surfaces, thus creating a novel hybrid meta-material with superior stiffness-to-density ratio properties. This thesis describes the development of soft actuators based on modified/doped EAPs, here dubbed terpolymer P(VDF-TrFE-CFE). We will show that this new and Live-Mirror customized terpolymer matrix features an outstanding electromechanical coupling property, particularly when doped with a plasticizer, e.g. diisononyl phthalate (DINP). Here we demonstrate that by optimizing the structured multilayer design, the electromechanical coupling of the modified terpolymer can be enhanced, yielding high dielectric permittivity, low Young modulus, and exceptional dielectric strength. This leads to a large strain response as well as high mechanical energy density under relatively low electric fields according to the electrostriction phenomenon – the main goal of the high-level specifications of Live-Mirror. In addition to a customized terpolymer matrix, the concept of stacked multilayers is demonstrated as a simple and effective technique to boost actuation abilities. Several 3D-printed, proof-of-concept (in the lab) experimental results, which are in good agreement with numerical models, validate the actuator performance with a large electromechanical response. This technology shows feasibility for active optical surface shape control and demonstrates the Live-Mirror optical shape control and correction with only a few degrees-of-freedoms. Such a novel and advanced actuator application via additive manufacturing technology are compliant for ground- and space-based astronomy and communications telescopes as well as many modern electronic devices.