Impression 4D de voxels hybrides basée sur les assemblages multi-matériaux imbriqués topologiquement

Hybrid voxels 4D printing based on topologically interlocked multi-material assembly

• Auteur / Autrice : Kheira Benyahia
• Direction : Frédéric Demoly, Samuel Gomes, Jean-Claude André
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) - Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne / ICB
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard
• Jury : Président / Présidente : Gaël Chevallier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Demoly, Samuel Gomes, Jean-Claude André, Jean-Philippe Pernot, Pierre-Jean Cottinet, Olivier Kerbrat, H. Jerry Qi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Pernot, Pierre-Jean Cottinet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux intelligents

Impression 4D

Mots clés libres

Conception pour AM

Assemblages interlockés

Impression 4D

Matériaux intelligents

Caractérisation des assemblages

Design for AM

Interlocking assemblies

4D printing

Smart materials

Assembly characterization

Résumé

L'impression 4D est considérée comme une technologie de fabrication prometteuse pour créer des dispositifs innovants capables d'évoluer dans leur environnement d'utilisation. En couplant les processus de fabrication additive (FA) avec des matériaux actifs/passifs, les objets peuvent changer de propriétés, de formes ou même de fonctionnalités sous l'effet d'une énergie de stimulation. Pour réaliser un changement de forme souhaité, les récents progrès en conception informatique autour des matériaux numériques nécessitent de s'attaquer à l'impression 4D multi-matériaux. Cependant, la déposition de matériaux actifs et passifs en une seule structure reste difficile en raison de la compatibilité limitée des imprimantes existantes avec les matériaux intelligents (MI) possédant les propriétés nécessaires. Pour surmonter cette limitation dans le contexte de la distribution de matériaux complexe, une approche originale consiste à aborder l'impression 4D multi-matériaux du point de vue de l'assemblage de blocs imbriqués. Ces types d'assemblages ont parcouru un long chemin d'évolution et ont suscité diverses applications. Ils ont été étudiés comme une solution aux défis d'assemblage des pièces grandes et complexes. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse est de proposer une approche de conception informatique qui transforme un objet 4D multi-matériaux avec une distribution de matériaux numériques calculée en blocs imbriqués appropriés. Ces derniers peuvent être imprimés séparément en utilisant la FA à matériau unique, puis assemblés pour atteindre le changement de forme ciblé. Cette thèse se déroulera en trois contributions majeures. Tout d'abord, une contribution couvrira la séquence des étapes utilisées pour développer l'algorithme de génération d'assemblage imbriqué. Ensuite, une autre contribution proposée approfondira l'approche de l'assemblage de blocs imbriqués en étudiant leur effet sur le comportement des structures imprimées en 4D multi-matériaux. L'étude en question comparera les structures imprimées en une seule opération à celles qui sont imbriquées. Des tests mécaniques/de stimulation et des simulations numériques seront effectués pour démontrer que les structures imbriquées présentent des performances mécaniques pertinentes tout en améliorant la réponse à l'activation par rapport aux structures multi-matériaux imprimées en une seule fois. Une contribution finale sera consacrée à la généralisation de l'applicabilité de l'approche d'assemblage de blocs imbriqués en améliorant l'uniformité des changements de forme/de propriété dans une structure 4D multi-matériaux assemblée. De plus, cette contribution vise également à résoudre les limitations qui peuvent survenir en raison des interfaces des blocs imbriqués, telles que le manque continuité du contact et de déformation. Ainsi, il s'agira de proposer un concept de blocs imbriqués personnalisés prenant en compte les SM et leurs transformations potentielles. Pour souligner leur pertinence et leur utilisation pratique, des cas d’études seront inclus en parallèle des contributions proposées.

L'impression 4D est considérée comme une technologie de fabrication prometteuse pour créer des dispositifs innovants capables d'évoluer dans leur environnement d'utilisation. En couplant les processus de fabrication additive (FA) avec des matériaux actifs/passifs, les objets peuvent changer de propriétés, de formes ou même de fonctionnalités sous l'effet d'une énergie de stimulation. Pour réaliser un changement de forme souhaité, les récents progrès en conception informatique autour des matériaux numériques nécessitent de s'attaquer à l'impression 4D multi-matériaux. Cependant, la déposition de matériaux actifs et passifs en une seule structure reste difficile en raison de la compatibilité limitée des imprimantes existantes avec les matériaux intelligents possédant les propriétés nécessaires. Pour surmonter cette limitation dans le contexte de la distribution de matériaux complexe, une approche originale consiste à aborder l'impression 4D multi-matériaux du point de vue de l'assemblage de blocs imbriqués. Ces types d'assemblages ont parcouru un long chemin d'évolution et ont suscité diverses applications. Ils ont été étudiés comme une solution aux défis d'assemblage des pièces grandes et complexes. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse est de proposer une approche de conception informatique qui transforme un objet 4D multi-matériaux avec une distribution de matériaux numériques calculée en blocs imbriqués appropriés. Ces derniers peuvent être imprimés séparément en utilisant la FA à matériau unique, puis assemblés pour atteindre le changement de forme ciblé. Cette thèse se déroulera en trois contributions majeures. Tout d'abord, une contribution couvrira la séquence des étapes utilisées pour développer l'algorithme de génération d'assemblage imbriqué. Ensuite, une autre contribution proposée approfondira l'approche de l'assemblage de blocs imbriqués en étudiant leur effet sur le comportement des structures imprimées en 4D multi-matériaux. L'étude en question comparera les structures imprimées en une seule opération à celles qui sont imbriquées. Des tests mécaniques/de stimulation et des simulations numériques seront effectués pour démontrer que les structures imbriquées présentent des performances mécaniques pertinentes tout en améliorant la réponse à l'activation par rapport aux structures multi-matériaux imprimées en une seule fois. Une contribution finale sera consacrée à la généralisation de l'applicabilité de l'approche d'assemblage de blocs imbriqués en améliorant l'uniformité des changements de forme/de propriété dans une structure 4D multi-matériaux assemblée. De plus, cette contribution vise également à résoudre les limitations qui peuvent survenir en raison des interfaces des blocs imbriqués, telles que le manque continuité du contact et de déformation. Ainsi, il s'agira de proposer un concept de blocs imbriqués personnalisés prenant en compte les matériaux actifs et leurs transformations potentielles. Pour souligner leur pertinence et leur utilisation pratique, des cas d’études seront inclus en parallèle des contributions proposées.