Activités de recherche

Des projets de recherche ont émergé grâce aux compétences présentes à l’EPF et l’UTT, les moyens à disposition et le projet scientifique de développement des sujets de recherche en fabrication additive autour de la conception intégrée et des matériaux intelligents. C’est lors de l’étude de fabricabilité que les incohérences apparaissent au niveau du modèle numérique. La fabrication additive s’inscrit parfaitement dans notre démarche d’ingénierie intégrée et de Design For Manufacturing afin d’étudier un nombre important d’informations qui influencent le processus de conception à la fabrication. Une boucle de reconception est parfois nécessaire pour modifier le produit afin d’obtenir un produit conforme en impression 3D. L’intégration de caractéristiques de fabrication additive en concordance avec les matériaux envisagés au moment de la conception permet d’optimiser le prototype final. Ainsi, nous avons pu mettre en œuvre :

- La caractérisation d'un modèle conçu par optimisation topologique et fabriqué par projection de résine (MJM) (Schneider et al., 2013)

- La caractérisation d’un filament de bois obtenu par dépôt additif pour étudier le comportement mécanique de produits en bois reconstitués (Gardan, Nguyen, et al., 2016; Gardan and Roucoules, L, 2014);

- Une méthode de caractérisation et d'amélioration de l'impression 3D par projection de liant appliquée à la qualité des textures (Julien Gardan, 2017) ;

- Le développement d’une orthèse pour le remodelage crânien d’enfants atteints de plagiocéphalie à travers un processus de numérisation 3D et d’impression 3D (Geoffroy et al., 2018);

- Une analyse thermique expérimentale et numérique de mousses d’aluminium à cellules ouvertes développées à travers un processus d’optimisation topologique et d’impression 3D pour la fabrication d’un moule perdu en plâtre pour la fonderie (Merabtine et al., 2018).

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Deux projets de recherche principaux sont menés depuis 2014 :

- Une méthode pour la conception intégrée en fabrication additive via un modèle de développement de processus « peau et squelette » et d'optimisation multi-objectifs (thèse terminée en 2018 et réalisée par Mme ASADOLLAHIYAZDI) (Asadollahi-Yazdi et al., 2017, 2018) ;

- Une méthode pour améliorer la ténacité à la rupture en utilisant l'impression 3D FDM et une stratégie de renforcement d’un matériau structuré par dépôt de filaments (de 2014 à aujourd’hui. Thèse en cours avec M. ZOUAOUI depuis fin 2018) (Gardan, Makke, et al., 2016a; Gardan et al., 2018a, 2018b) ;

Pour ces travaux de recherche, deux états de l’art ont été réalisés pour appréhender les difficultés et leur positionnement. L’un concernait plus généralement les technologies de fabrication additive et ses tendances (Gardan, 2016), tandis que l’autre examinait les matériaux intelligents par FA et leurs classifications (Gardan, 2019). Ces deux derniers projets de recherche seront détaillés dans le chapitre 3, mais nous pouvons en décrire un autre pour observer la démarche et je propose le projet de « mousse d’aluminium » pour le stockage d’énergie thermique (j’ai participé à ce projet grâce au soutien du Professeur Xia-Lu GONG et du Dr Abdelatif MERABTINE).

Cette étude visait à analyser le comportement thermique de deux mousses métalliques bi-matériau composées d’une structure en aluminium et d’un matériau à changement de phase (paraffine). Un modèle classique composé d’un réseau hétérogène obtenu par l’utilisation de grains de sels placés dans un moule de fonderie pour préformer l’aluminium fondu, et un nouveau modèle conçu par optimisation topologique et fabriqué par impression 3D ont été proposés. Pour mesurer l’amélioration de la dissipation de chaleur, l’étude vise à comparer ces modèles, dont l’un est un modèle fabriqué à partir d’éléments périodiques aux formes obtenues par optimisation topologique, et l’autre, un modèle conçu sur la base d’éléments périodiques en forme de treillis. La solution originale provient d'une optimisation topologique basée sur le paramétrage des matériaux et de leurs comportements thermiques. Des simulations numériques utilisant la méthode des éléments finis (FEM) ont été réalisées afin d’étudier la cartographie thermique du flux de chaleur. Ce travail a montré que la mousse métallique optimisée présentait une température locale moins élevée car la chaleur est mieux diffusée que dans la structure classique où la chaleur est concentrée. L’écart est d’environ 10 °C entre les deux modèles. La forme optimisée à cellules ouvertes semble être une bonne solution pour le refroidissement d’un système comportant un

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matériau à changement de phase. Comme illustré à la figure 14, le processus est basé sur un modèle 3D issu de l'optimisation topologique appliquée aux échanges thermiques. Une telle forme se rapproche des caractéristiques structurelles proposées dans l’étude et est souvent utilisée dans la modélisation des mousses à faible densité. Après l’impression 3D des empreintes en plâtre, une étape de nettoyage est nécessaire pour extraire la poudre non durcie à l'intérieur du moule. Cette étape est également dimensionnée pour en déterminer le niveau de porosité afin de paramétrer le modèle CAO et d’extraire facilement la poudre. Le moule final en plâtre est utilisé en tant que moule à modèle perdu à travers un processus de coulée d’aluminium afin d’obtenir la mousse d’aluminium.

Figure 14. Schéma de principe du moulage de la mousse à cellules ouvertes. Moule en plâtre par impression 3D et procédé de fabrication utilisant le moulage par infiltration

Nous pouvons observer que la notion de fabricabilité englobe bien une prise en compte de l’ensemble des contraintes liées à la fabrication du produit en incluant donc normalement sa définition et les caractéristiques attendues ainsi que le processus de fabrication. La conception guidée par la fabricabilité contribue à créer des produits qui donnent de bons résultats en fabrication mais enrichit également la méthode associée à travers l’intégration des fonctions attendues en intervenant au plus tôt dans le cycle de conception. Il est clairement montré qu’une étape expérimentale est nécessaire pour caractériser certaines fonctions d’usage et de fabrication afin de pouvoir les intégrer au modèle 3D. La répétabilité des essais et la capitalisation des connaissances en sont d’autant plus importantes pour donner un sens à cette notion de conception intégrée qui doit notamment agir sur le cycle

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complet de conception et de fabrication pour réduire le temps et le coût de réalisation d’un projet.