Impression de matériaux multifonctionnels pour la réalisation des capteurs de surveillance et du retour haptique

Printing smart sensor and actuator coatings using piezoelectric composites

• Auteur / Autrice : Van Cuong Nguyen
• Direction : Pierre-Jean Cottinet, Minh-Quyen Le
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 07/07/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA) - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité / LGEF
• Jury : Président / Présidente : Yves Bernard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Jean Cottinet, Minh-Quyen Le, Yves Bernard, Esteban Broitman, Frédéric Demoly, Benoît Guiffard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Esteban Broitman, Frédéric Demoly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites polymères

Piézoélectricité

Mots clés libres

Génie électrique

Capteur piézoélectrique

Composite piézoélectrique

Flexion quatre points

Simulation par Eléments Finis

Retour haptique

Actionneur piézoélectrique

Impression 3D

Transducteur piézoélectrique

Maintenance prédictive

Electrical engineering

Piezoelectric sensors

Piezoelectric Composite

Four-Point bending

Finite element simulation

Haptic feedback

Piezoelectric transducer

3D Printing

Piezoelectric Actuator

Health Monitoring

Résumé

Les matériaux piézoélectriques jouent un rôle crucial dans le développement des matériaux intelligents et des processus de fabrication additive. Avec l'avancée des techniques de fabrication additive, les matériaux piézoélectriques peuvent être imprimés en 3D dans des géométries complexes et intégrés à des composants électroniques pour créer des structures intelligentes. La combinaison de matériaux piézoélectriques et de la technologie d'impression 3D a conduit au développement de divers dispositifs, notamment des capteurs, des actionneurs et des systèmes de rétroaction haptique, qui peuvent être personnalisés et fabriqués rapidement. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur deux applications, à savoir la réalisation de capteurs pour le développement de roulements instrumentés et le développement de réseaux de transducteurs pour les interfaces haptiques. Première application concerne à la réalisation de capteurs pour la surveillance de roulement à bille. Le composite piézoélectrique à base de polymère est directement sérigraphié sur la surface de la structure hôte, qui est assimilée à un substrat en acier instrumenté. En raison de la couche de détection généralement très mince par rapport au substrat sous-jacent, les propriétés mécaniques de l'ensemble du système sont principalement déterminées par les caractéristiques du matériau de type acier. Par conséquent, la méthode développée ici permet d'extraire de manière fiable le comportement piézoélectrique efficace du composite mince grâce à une méthode de flexion à 4 points (4PB). Des modèles analytiques et éléments finis sont développés pour prédire les propriétés mécaniques du substrat testé ainsi que la sensibilité du capteur sous différentes charges appliquées. Des expériences sont menées sur un montage 4PB, permettant de valider les solutions analytiques et numériques. Tous les résultats ont démontré que le capteur développé est capable de fournir une mesure directe de déformation/contrainte au lieu d'un capteur de jauge de contrainte traditionnel par interpolation, et offre ainsi une méthode efficace pour la surveillance en ligne et in situ des roulements. La deuxième application consiste à fabriquer un retour haptique en utilisant un matériau piézoélectrique composite. Des simulations et des expérimentations ont montré la capacité de ce matériau à générer des vibrations pour un retour haptique. Enfin, un démonstrateur de retour haptique a été fabriqué pour permettre aux utilisateurs de ressentir ces sensations. Un circuit électronique a été conçu pour répondre aux spécifications du démonstrateur, et une application Python a été développée pour tester facilement différents types de formes d'onde.

Piezoelectric materials play a crucial role in the development of smart materials and additive manufacturing processes. With the advancement of additive manufacturing (AM) techniques, piezoelectric materials can be 3D printed into complex geometries and integrated with electronic components to create smart structures. The combination of piezoelectric materials and 3D printing technology definitively paves the way for next generation of smart multifunctional materials that could be customized and quickly integrated in various sensing and actuating devices. This thesis focuses on two applications, namely “the development of sensors for instrumented bearings”, and “the development of transducer arrays for haptic interfaces”. The first application involves the development of piezoelectric sensors to detect and predict early failure of bearing via direct indicator by monitoring unidirectional (1D) and bidirectional (2D) loads thanks to a smart sensor coating using BaTiO3/PUA polymer-based composite. This a composite ink is directly screen-printed onto the surface of the host structure, which is treated as an instrumented steel substrate. Full characterizations of dielectric and mechanical properties, together with direct sensing measurement are investigated on rectangular-shaped substrate (1D) and cross-shaped substrate (2D) using a 4-point bending (4PB) structure. Analytical and finite element models (FEM) are developed to predict the mechanical properties of the tested substrate as well as the sensor sensitivity under either unidirectional or bidirectional load. All results demonstrate that the developed sensor is capable of providing a direct measurement of deformation/stress instead of a traditional strain gauge sensor with interpolation, and thus provides an effective method for online and in-situ monitoring of bearings. The second application involves in the development of piezoelectric actuator for the fabrication of haptic feedback button, demonstrating high potential of such a device for the area of tactile screen. To maximize the perception of user, a haptic system capable of generating a displacement greater than 2 µm at 300 – 700 Hz frequency range is investigated. A FEM (Finite Element Modeling) model via ANSYS multiphysics software was explored to analyze the haptic performance of the wafer structure consisting of a piezoelectric BaTiO3 multilayer coated on a transparent flexible PET substrate. The research also involves in experimental characterizations that allow to support the simulation work as well as to validate the reliability of the proposed design. Finally, a demonstrator comprising piezoelectric buttons together with electronic command and conditioning circuits are successfully developed, making a simple way to create multiples sensations to users.