Conception pour la fabrication de micro-treillis polymères pour des structures de micro-aérostats

Catar, Louis (2024). Conception pour la fabrication de micro-treillis polymères pour des structures de micro-aérostats. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’allègement de structure est un enjeu récurrent en ingénierie. La volonté de réduire la consommation énergétique, accroître les capacités d’emport ou améliorer les performances sont autant de raisons de désirer des conceptions toujours plus optimisées. Les micro-treillis, par leur extrême finesse, amènent cette quête aux plus petites échelles de la fabrication additive. Avec ce sujet, l’idée est de connecter la conception avec les performances des structures en micro-treillis polymères en prenant comme support de travail les petits aérostats. Outre les nouvelles opportunités offertes par le développement de ce type d’aéronef, les dirigeables ont cette particularité d’être extrêmement sensibles à la masse de ses composants. Aucun compromis n’est autorisé et chaque nouveau gramme est un litre supplémentaire d’hélium à ajouter. Cette exigence fait des aérostats le terrain d’expérimentation idéal pour chercher de nouvelles solutions.

En un premier lieu, plusieurs techniques de fabrication additive à base de résines photosensibles ont été étudiés mécaniquement à l’aide de tests de micro-traction quasi-statique sur des structures en micro-treillis. Les essais ont été associés à une mesure des déformations plein champ. Les procédés ont également fait l’objet d’une étude de l’anisotropie de la fabrication pour mieux comprendre leur impact sur les propriétés mécaniques des micro-treillis.

Dans un deuxième temps, une méthodologie de priorisation multicritères est présentée. Cet outil permet de comprendre et de visualiser l’impact de chaque exigence d’un cahier des charges complexe sur le choix de la combinaison finale. Elle permet de rationaliser la prise de décision quelles que soient les métriques et les domaines : critères mécaniques, manufacturiers, de forme, etc. Un dirigeable est un objet physique complexe et cette méthode permet d’accélérer le processus de développement.

Dans un troisième temps, des structures en micro-treillis ont été caractérisés pour leurs propriétés d’absorption d’énergie d’impact. Pour ce faire, un banc de test a été spécialement conçu et fabriqué pour s’adapter aux conditions de vol d’un petit aéronef léger. Les résultats ont été utilisés pour sélectionner les motifs, matériaux et compacités requises pour respecter les exigences d’emploi de l’aérostat.

Enfin, ce travail se termine par la création d’un dirigeable robotique rigide mais pliant adapté à l’exploration d’espaces étroits. Il intègre un exosquelette inspiré de l’origami pour procurer des propriétés uniques aux aérostats. Le processus de conception du robot a été automatisé pour optimiser sa forme en fonction de toutes les contraintes imbriquées de volume, fabrication ou encore de la mécatronique.

Titre traduit

Design for manufacturing of polymer micro-lattices for micro-aerostat structures

Résumé traduit

Structural lightening is a recurring challenge in engineering. The will to reduce energy consumption, increase carrying capacity, or improve performance are all reasons to aim for ever more optimized designs. Micro-lattices, with their extreme thinness, bring this quest to the smallest scales of additive manufacturing. With this subject, the idea is to connect design with the mechanical performance of polymer micro-lattice structures using small aerostats as the working platform. Besides the new opportunities offered by the development of this type of aircraft, airships have the particularity of being extremely sensitive to the mass of their components. No compromise is allowed, and every new gram is an additional liter of helium to be added. This requirement makes aerostats the ideal testing base for seeking new solutions to optimize mass.

First, several additive manufacturing techniques based on photosensitive resinswere mechanically studied using quasi-static micro-tension tests on micro-lattices structures. The tests were associated with full-field deformation measurements. The processes were also the subject of a study on the anisotropy of manufacturing to better understand their impact on the mechanical properties of micro-lattices.

Secondly, a multi-criteria prioritization methodology is presented. This tool allows understanding and visualizing the impact of each requirement of a complex specification on the choice of the final combination. It helps to rationalize decision-making regardless of metrics and domains : mechanical criteria, manufacturing, shape, etc. An airship is a complex physical object, and this method accelerates the development process.

Thirdly, micro-lattice structures were characterized for their impact energy absorption properties. For this purpose, a test bench was specially designed and manufactured to adapt to the flight conditions of a lightweight indoor aircraft. The results were used to select the patterns, materials, and compacity required to meet the operational requirements of the aerostat.

Finally, this work concludes with the design, manufacturing and assembly of a rigid but foldable robotic airship adapted for exploring narrow spaces. It incorporates an exoskeleton inspired by origami to provide unique properties to the aerostats. The robot design process was automated to optimize its shape according to all intertwined constraints of volume, manufacturing or mechatronics

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 197-219).
Mots-clés libres:	fabrication additive, micro-treillis, aérostat, polymère
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse St-Onge, David
Codirecteur:	Codirecteur Tabiai, Ilyass
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	16 avr. 2025 17:11
Dernière modification:	16 avr. 2025 17:11
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3570

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