Bruits procéduraux pour la conception de micro-structures en fabrication additive

Procedural noises for the design of small-scale structures in Additive Manufacturing

• Auteur / Autrice : Thibault Tricard
• Direction : Sylvain Lefebvre, Didier Rouxel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 08/04/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Jean-Baptiste Mouret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Lefebvre, Didier Rouxel, Basile Sauvage, Bernhard Thomaszewski, Lining Yao, Marie-Paule Cani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Basile Sauvage, Bernhard Thomaszewski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation procédurale

Matériaux architecturés

Impression 3D

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fused filament fabrication

Multi-Matériaux

Fabrication additive

Impression 3D

Fused filament fabrication

3d printing

Multi-Material

Additive manufacturing

Résumé

La démocratisation de la fabrication additive a suscité un regain d'intérêt pour ses applications potentielles. Parmi celles-ci, la possibilité d'imprimer des structures à petite échelle est particulièrement prometteuse. La géométrie des structures internes à petite échelle influence directement les propriétés physiques des pièces finales. Ainsi, la découverte de nouvelles structures à petite échelle produisant des propriétés cibles spécifiques élargit les possibilités offertes aux utilisateurs de la fabrication additive, ce qui ouvre la voie à de nouvelles applications potentielles en soft-robotique, pour la conception de prothèses et d'orthèses, et pour l'ingénierie mécanique en général. Toutefois, pour être utiles, ces structures à petite échelle doivent permettre de contrôler les propriétés qu'elles déclenchent - et de les faire varier dans l'espace- afin d'adapter leur comportement à l'intention de l'utilisateur. Il est intéressant de noter que ce type de contrôle spatial des propriétés a été largement étudié en informatique graphique, en particulier pour la synthèse de textures. L'objectif de cette thèse est de permettre le même type de contrôle spatial que celui obtenu par les méthodes de synthèse de textures, pour la synthèse de structures à petite échelle dans la fabrication additive. En particulier, je me suis concentré sur la définition de structures à petite échelle fortement orientées. Celles-ci déclenchent des propriétés extrêmement anisotropes dans les pièces, un type de comportement qui n'a pas été approfondi dans les travaux antérieurs. Pour y parvenir, j'ai proposé de revisiter les formulations procédurales développées pour la synthèse de textures en informatique graphique, où chaque sous-partie d'un motif peut être calculée indépendamment, en suivant uniquement les informations locales. J'ai appliqué avec succès cette approche à la génération de structures complexes et orientées à petite échelle dans de grands volumes. Ma première contribution est une nouvelle approche pour synthétiser efficacement des motifs oscillants fortement contrastés, qui permet de suivre de près les champs de propriétés tels que l'orientation et la densité tout en étant calculés localement. J'ai démontré cette approche pour des applications de placage de textures ainsi que pour la synthèse de motifs fortement orientés, fortement orientées, anisotropes et multi-matériaux à petite échelle. Cette première méthode génère des motifs qui présentent des défauts locaux,et par conséquent, ma deuxième contribution a étendu ce travail pour formuler une technique de régularisation efficace et peu coûteuse qui rectifie les oscillations. Cela a conduit à la synthèse de structures autoportantes librement orientables qui peuvent être utilisées pour produire des déformations programmées dans des objets imprimés en 3D. Ma troisième contribution explore comment utiliser une approche similaire pour définir des trajectoires dans des pièces imprimées en 3D entièrement remplies, sous des objectifs d'orientation. En ajustant la phase des oscillations, nous sommes en mesure de rompre les alignements spatiaux le long de la direction de construction qui, autrement, entraîneraient des faiblesses locales dans les pièces produites.

The democratization of AM has sparked a renewed interest in its potential applications.Among these, the ability to print small-scale structures is particularly promising:The geometry of internal small-scales structures directly influences the physical properties of the final parts.Thus, finding novel small-scales structures producing specific target properties expands the possibilities offered to additive manufacturing users,unlocking new potential applications in soft-robotics, for the design of prosthetics and orthoses, and for mechanical engineering at large.However, to be helpful in the wild, these small-scale structures have to expose controls over the properties they trigger --and allow their variation in space -- so as to adapt their behavior to the user's intent.Interestingly, this type of spatial control over properties has been extensively studied in Computer Graphics,in particular for texture synthesis.The objective of this thesis is to enable the same type of spatial control that is achieved by texture synthesis methods,for the synthesis of small-scale structures in Additive Manufacturing.In particular, I focused on defining strongly oriented small-scale structures.These trigger extremely anisotropic properties within the parts, a type of behavior that has not been extensively covered in prior works.To achieve this, I proposed to revisit the procedural formulations developed for texture synthesis in Computer Graphics,where each subpart of a pattern can be computed independently, only following local information.I successfully applied this approach to the generation of complex, oriented small-scale structures in large volumes.My first contribution is a novel approach for efficiently synthesizing highly contrasted oscillating patterns, that allows to closely follow property fields such as orientation and density while still being computed locally.I demonstrated this approach for texturing applications as well as for the synthesis of strongly oriented, anisotropic multi-material small-scale structures. This first method generates patterns that exhibit local defects, and therefore my second contribution extended this work to formulate a low-cost, efficient regularization technique that rectifies the oscillations.This led to the synthesis of freely orientable, self-supporting structures that can be used to trigger programmed deformations in 3D printed objects.My third contribution explores how to use a similar approach to define trajectories in fully filled 3D printed parts, under orientation objectives.By adjusting the phase of the oscillations, we are able to break the spatial alignments along the build direction that would otherwise result in local weaknesses in the produced parts.