Conception numérique de textiles auto-déployables

Computational design of self-shaping textiles

• Auteur / Autrice : David Jourdan
• Direction : Adrien Bousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 29/03/2022
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Baverel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrien Bousseau, Olivier Baverel, Maud Marchal, Paolo Cignoni, Bernd Bickel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maud Marchal, Paolo Cignoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métamatériaux

Impression 3D

Infographie

Mots clés libres

Structures auto-déployables

Impression 3D

Métamatériaux

Bilame

Self-shaping

3D printing

Form finding

Metamaterials

Bilayers

Résumé

L'impression sur tissu est une technique de fabrication récente consistant à déposer sur un tissu étiré du plastique en fusion en utilisant des procédés standard de fabrication additive. L'impression sur tissu a récemment gagné en popularité car c'est une technique de fabrication peu coûteuse permettant de créer des structures déployables qui prennent automatiquement une forme en 3D lorsque le tissu est relâché. Le comportement en déformation de ce matériau composite peut s'expliquer par des phénomènes de frustration de métrique que nous décrivons dans la suite de cet exposé. Nous exploitons ces phénomènes pour proposer plusieurs applications aidant à la conception de structures auto-déployables légères.La première application présentée est un outil de design pour fabriquer des maquettes architecturales légères basé sur un pavage de motifs en étoile dans lequel les dimensions (et donc les propriétés physiques) de chaque élément varient dans l'espace. Les utilisateurs de ce système peuvent créer des formes libres en ajustant le motif d'étoiles ; notre système simule ensuite le couplage entre le tissu et les motifs de plastique pour traduire les paramètres en design en variations de forme.L'outil de simulation introduit précédemment est ensuite généralisé pour pouvoir s'appliquer à tous types de motifs imprimés et pas seulement des motifs en étoile. Nous modélisons notamment l'anisotropie du tissu ainsi que l'effet bilame causé par le différentiel de compression à l'interface entre la couche de plastique et la couche de tissu.Pour finir, une méthode de design inverse capable de reproduire des formes cibles en imprimant un motif dense de rubans peu espacés est présentée. Le cœur de la méthode consiste en un algorithme de paramétrisation qui borne les distorsions locales de surface le long des directions principales de courbure, ainsi qu'un algorithme de synthèse de motifs qui couvre la surface de rubans pour respecter les distorsions cibles et la courbure données par la paramétrisation.

Printing-on-fabric is a recent manufacturing technique which consists in extruding molten plastic into pre-stretched fabric using standard additive manufacturing technologies. Printing-on-fabric recently gained popularity as a low-cost fabrication technique for designing deployable structures which can pop out of shape when the fabric is released. The complex morphing behavior of this composite material can be explained by metric frustration phenomena which are described in this thesis. We leverage these phenomena to build several applications aiding the design of self-actuated, lightweight structures.We first present a (forward) design tool for fabricating lightweight architectural models based on a tiling of star patterns, with the dimensions (and hence physical properties) of the individual pattern elements varying over space. Users of this system design free-form shapes by adjusting the star pattern; our system then automatically simulates the complex physical coupling between the fabric and stars to translate the design edits into shape variations.We then extend the form-finding tool to a general-purpose simulation method that can predict the buckling behavior of a variety of printed-on-fabric designs besides star tilings. We show the importance of modelling the bilayer effect caused by the differential compression at the interface between the plastic and fabric layers, as well as the anisotropic properties of the fabric.Finally, an inverse design tool that is able to reproduce target shapes with printing-on-fabric using a dense pattern of closely-spaced ribbons is introduced. The core of this method is a parameterization algorithm that bounds surface distortions along and across principal curvature directions, along with a pattern synthesis algorithm that covers a surface with ribbons to match the target distortions and curvature given by the aforementioned parameterization.