Combiner l'éco-conception et l'optimisation topologique multi-échelle pour des structures micro-architecturées imprimées 3D

Combining Eco-Design and Multiscale Topology Optimization for 3D printed microarchitectured structures

• Auteur / Autrice : Edouard Duriez
• Direction : Joseph Morlier, Catherine Azzaro-Pantel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 23/09/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Lachaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joseph Morlier, Catherine Azzaro-Pantel, Peggy Zwolinski, Kunal Masania, François-Xavier Irisarri, Grégoire Allaire, Miguel Charlotte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peggy Zwolinski, Kunal Masania

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux architecturés

Analyse multiéchelle

Optimisation topologique

Impression 3D

Écoconception

Mots clés libres

Écoconception

Matériaux architecturés

Optimisation multi disciplinaire

Optimisation topologique

Multi-Échelle

Impression 3D

Eco design

Multidisciplinary design optimisation

Architectured materials

Topology optimization

Multi-Scale

3d printing

Résumé

La fabrication additive permet de modifier la conception de pièces mécaniques pour les rendre plus légères, grâce à l'optimisation topologique. Pour les applications dans les transports, ceci se traduit par des économies de carburant et donc des émissions de CO2 plus faibles. La quantité réduite de matériau nécessaire permet elle aussi de plus faibles émissions. Cependant, la fabrication additive est elle-même un procédé plus énergivore que les procédés traditionnels.En vue de minimiser les émissions de CO2 de pièces tout au long de leur cycle de vie, nous nous focalisons d'abord sur la minimisation de leur masse. Une méthode d'optimisation topologique multi-échelle efficace en calcul est développée pour des cas 2D et 3D. Les formes obtenues sont aussi testées mécaniquement. Cependant, le choix de matériau et de procédé doit aussi être pris en compte. Ces variables sont couplée à la conception géométrique. Un indice d'Ashby généralisé et des stratégies efficaces telles que l'utilisation de métamodels, l'éco-sélection matériau-procédé et l'étude fine des fronts de Pareto masse-complaisance de l'optimisation topologique, sont utilisés pour optimiser des structures micro-architecturées imprimées en 3D.

Additive manufacturing enables to redesign mechanical parts in order to make them lighter, through topology optimization. For transport applications this translates in fuel savings and thus lower CO2 emissions. The reduced quantity of material needed also enables lower emissions. However, additive manufacturing is itself a more energy intensive process than traditional manufacturing.In order to minimize the CO2 emissions of parts throughout their whole life cycle, we first focus on minimizing their mass. A computationally efficient multiscale topology optimization method is developed for 2D and 3D cases. The obtained designs are also mechanically tested. However, the choice of material and process must also be taken into account. These variables are coupled to the geometrical design. Generalized Ashby’s index and efficient strategies, such as the use of metamodels, the material-process eco-selection and a fine study of mass-compliance topology optimization pareto fronts, are used to optimize 3d printed microarchitectured structures.