Propriétés mécaniques de treillis auxétiques hybrides

Abstract

Additive Manufacturing (AM) is an innovative process for producing complex geometry parts for small series or high value-added products. An example of innovative design linked to the possibilities offered by the geometric freedom due to AM are lattice structures which have proved themselves as extremely efficient structures in terms of mechanical properties brought back to their mass, preferable for biomedical implants for example . In this type of application, the structural integrity of the component is a non-negotiable parameter of the specifications. Additive manufacturing of architectured materials creates surfaces and geometrical imperfections that can cause a dramatic decrease of mechanical caracteristics. In order to counteract these undesirable effects, a strategy for the development of hybrid architectured materials is implemented. The addition of a second polymer phase acting as a matrix reinforced by a lattice structure makes it possible to eliminate the surface roughness while delaying the buckling of the constituent beams of the lattice. The project aims to develop a suitable numerical framework for the design and prediction of the behavior of hybrid architectured materials, based on full-field simulations and homogenization on periodic unit cell.Les treillis sont des structures composées d’un réseau de poutres pouvant être périodique et proposant des propriétés mécaniques supérieures ramenées à leur masse lorsque que comparé à un matériau "plein". En particulier, les structures treillis font preuve de capacités de dissipation d’énergie élevées relativement à leur masse, et sont donc candidates pour le remplacement de pièces mécaniques monolithique en usage. Parmi les treillis, les structures à coefficient de Poisson négatif permettraient une dissipation supérieure aux structures conventionnelles. Néanmoins, ces structures sont soumises à des modes de déformation et d’endommagement pouvant nuire à leurs performances.Ces travaux de thèses s’inscrivent dans l’exploration des possibilités visant à améliorer les propriétés mécaniques spécifiques des treillis périodiques, notamment pour la dissipation d’énergie, par une stratégie d’hybridation consistant à remplir le volume vacant des treillis par un matériau de nature différente, permettant de stabiliser la structure. Dans un premier temps, deux nouveaux treillis auxétiques sont proposés, et leurs propriétés élastiques et élasto-plastiques sont étudiées numériquement via une stratégie d’homogénéisation utilisant des conditions aux limites périodiques. L’influence de l’orientation de chargement et des propriétés élastiques sur la dissipation d’énergie est étudiée numériquement.Par la suite, une campagne expérimentale et numérique comparant mécaniquement deux treillis en polymère avec leurs équivalents composites remplis par un élastomère est détaillée. L’analyse des essais de compression permet d’observer une augmentation des propriétés élastiques des composites, ainsi qu’une augmentation des niveaux de contraintes et de la déformation à densification. La densification retardée observée sur les treillis composites permet un plus long plateau de contrainte, plus souhaitable pour des applications en dissipation d’énergie, entrainant une augmentation de l’énergie spécifique dissipée et de l’efficacité d’absorption.Enfin, des treillis métalliques sont réalisés par SLM avant d’être remplis de polyuréthane par moulage. Ces structures hybrides sont étudiées aussi bien expérimentalement que numériquement, via des essais de compression, mais également sous tomographe à rayons X pour observer les déformations internes du treillis. Les résultats suggèrent cependant qu’un fort contraste de propriétés entre les matériaux constitutifs peut atténuer l’accroissement des propriétés mécaniques.Ces travaux confirment que l’hybridation peut être une option efficace pour augmenter les propriétés mécaniques spécifiques des treillis, et notamment l’énergie spécifique dissipée