Etude du comportement dynamique de matériaux architecturés issus de fabrication additive

par Alexandre Riot

Projet de thèse en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Jean-Christophe Batsale, Marco Montemurro et de Sandra Guerard.

Thèses en préparation à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) et de IMC : Ingénierie Mécanique et Conception (equipe de recherche) depuis le 03-12-2018 .


  • Résumé

    Les matériaux cellulaires sont des matériaux qui possèdent de très bonnes capacités d'absorption d'énergie sous impact, performances corrélées, notamment, aux propriétés du matériau de base, à la densité relative de la structure, mais également à la géométrie des cellules. Le développement de la fabrication additive permet d'envisager la conception de nouveaux matériaux architecturés combinant légèreté et grande capacité d'absorption d'énergie. Leur utilisation dans les secteurs du transport terrestre ou aérien, dans la protection de biens (on peut citer par exemple la protection de matériels électroniques embarqués par les fantassins ou encore la protection des conteneurs de transport de matière ou composants radioactifs) revêt alors un intérêt certain pour contribuer conjointement à l'allègement structural, à la sécurité en cas de crash et/ou d'impacts et au maintien de l'intégrité des structures dans des conditions mécaniques sévères. Utilisés pour composer l'âme d'une structure sandwich, et associé à une optimisation topologique multi-échelle, ces matériaux architecturés permettront de proposer la structure possédant le meilleur compromis performances / légèreté. L'apparition de la fabrication additive offre de nouvelles approches pour étudier la relation entre les paramètres architecturaux d'un matériau cellulaire et ses propriétés mécaniques macroscopiques. En effet, la topologie (à toute échelle pertinente du problème) peut alors être contrôlée lors de la fabrication du matériau. Il est alors évident qu'une problématique nouvelle émerge sur la réponse mécanique de ces matériaux issus de tels procédés de fabrication. L'étude proposée s'intègre donc dans les développements actuels autour de la fabrication additive et des méthodologies de conception/optimisation associées. L'approche développée couple expérimentations, modélisations numériques détaillées et optimisation topologique. Elle s'articulera autour de cinq grandes phases distinctes : Phase I : identification d'une (des) architecture(s) de référence en fonction des applications finales visées (protection mécanique et thermique des équipements embarqués). Les conditions d'utilisation seront définies ainsi que les sollicitations mécaniques correspondantes (énergie développée, vitesse, orientation). Phase II : identification d'un lot de paramètres de fabrication, et réalisation d'éprouvettes Phase III : optimisation multi-échelle du matériau architecturé aux échelles mésoscopique (topologie du VER) et macroscopique (panneau sandwich). Intégration des contraintes de fabricabilité du procédé de fabrication additive et formalisation d'un critère mécanique synthétique pour prendre en compte l'absorption d'énergie. Phase IV : Campagne expérimentale. En quasi-statique : Validation de la technique d'homogénéisation numérique. En dynamique : pour balayer plusieurs décades de vitesse de déformation et différentes orientations de chargement. Des essais matériaux et des essais structures pourront être réalisés. Les essais seront réalisés sur les configurations de référence et sur celles optimisées. Phase V : une analyse détaillée, physique et numérique EF, des micro-mécanismes d'effondrement cellulaire sera effectuée et l'influence du trajet de chargement sera étudiée.

  • Titre traduit

    Study of the dynamic behavior of architectured materials from additive manufacturing


  • Résumé

    Cell-like materials are materials that posess excellent properties under impact energy absorbtion, correlated performances, notably between basic material properties, structure relative density and cell geometry. The development of additive manufacturing enables new types of architectured cell designs combining light weight and great energy absorbtion. Their use in ground and air transports, in equipment protection (one can mention electronic devices carried by infantry, or containors conveying radioactive components) present a great interest to commonly contribute to alleviating structures, assuring security in case of crash/impacts and maintaining the integrity of the structure in harsh mechanical conditions. Used as a major component of sandwich structures, and related to multi-scale topology optimization, these architectured materials will offer the best structure in terms of compromise between performances and light weight. The development of additive manufacturing also offers new ways to study the relation betweenà material cell's parametric architecture and its macroscopic mechanical properties. Indeed, topology (at every relevant scale of the problem) can therefore be controled during the material's manufacturing. It appears clearly that a new problematic emerges regarding additively manufactured materials' mechanical responses. The suggested study integrates actual development around additive manufacturing and the related design and optimization methodologies. This approach combines experimentation, detailed numerical modeling and topology optimization. It will evolve around five separated phases : Phase I : Identifying one (or many) reference architectures adapted to the wanted goal applications (thermal and mechanical protection of carried equipment). The use conditions will be defined as well as the corresponding mechanical sollicitations (developed energy, velocity, orientation). Phase II : Identifying a set of manufacturing parameters, and making samples. Phase III : Multi-scale optimizing of the architectured materials at a mesoscopic scale (VER topology) and macroscopic (sandwich pannel). Integrating the manufacturing contraints of additive manufacturing and formalizing a synthetic mechanical criterium to take into account energy absorbtion. Phase IV : Conducting experiments. In quasi-static : to validate the numerical homogeneization method. In dynamic : to consider numerous deformation velocities and different loading orientations. Material experiments and strucutral experiments can be performed. The experiments will be performed on the referenced configurations and the optimized configurations. Phase V : analysing in details physical and numerical FE, the cellular failure macro-mechanisms will be performed and the influence on the load's trajectory will be studied.