Caractérisation géométrique et mécanique des structures en treillis à symétrie cubique fabriquées par fusion laser sur lit de poudre pour le développement d'un modèle d'homogénéisation et d'une méthode d'optimisation des composants industriels

Bouguerra, Oussema (2025). Caractérisation géométrique et mécanique des structures en treillis à symétrie cubique fabriquées par fusion laser sur lit de poudre pour le développement d'un modèle d'homogénéisation et d'une méthode d'optimisation des composants industriels. Mémoire. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 162 p.

PDF Télécharger (7MB) | Prévisualisation

Résumé

RÉSUMÉ : La fabrication additive, et plus particulièrement la fusion sur lit de poudre (LPBF), ouvre de nouvelles opportunités pour concevoir des structures en treillis optimisées répondant aux besoins industriels d'allègement et de performance mécanique. Cependant, leur adoption à grande échelle se heurte à des défis majeurs tels que les écarts systématiques entre propriétés théoriques et réelles des treillis imprimés, ainsi que les difficultés de modélisation précise de leur comportement dans des géométries complexes. Ces limitations freinent leur utilisation dans des applications critiques comme dans l'industrie aérospatiale ou biomédicale. Cette recherche se concentre sur l'intégration des treillis dans une méthodologie globale combinant modélisation numérique, caractérisation expérimentale et optimisation par conception générative. L'étude est menée sur des structures en treillis imprimées sur la machine EOS M290 en acier maraging 18Ni300 et s'articule en trois phases complémentaires. Une première phase de caractérisation géométrique a révélé une relation linéaire entre le ratio surface/volume (S/V) et les écarts de densité relative, avec 70% de ces écarts attribués aux variations d'épaisseur caractéristiques. La méthode de compensation par ajustement des paramètres de conception s'est avérée plus efficace que la variation du paramètre offset pour la structure Gyroid choisie. La seconde phase de caractérisation mécanique a permis de calibrer un modèle Gibson-Ashby intégrant les imperfections de fabrication, validé par des essais de traction sur des structures Gyroid 3 mm, de densités relatives de 20 à 30 %. Les simulations par homogénéisation périodique ont nécessité des coefficients de correction pour réduire les écarts entre résultats numériques et expérimentaux. Enfin, une étude de cas a démontré la pertinence du modèle développé sur une pièce optimisée par conception générative où les prédictions numériques du comportement mécanique ont été confirmées par les essais expérimentaux. Ce travail propose une méthodologie structurée et innovante, démontrant l'efficacité de la combinaison entre treillis homogénéisés et conception générative. Les résultats montrent que l'approche permet de prédire avec précision le comportement élastique des structures tout en simplifiant leur dimensionnement. Il ouvre des perspectives prometteuses pour des applications industrielles nécessitant des pièces légères, robustes et optimisées. -- Mot(s) clé(s) en français : Structures en treillis, Conception générative, Fabrication additive, LPBF, Acier maraging 18Ni300, Homogénéisation, Optimisation, Allègement, Performance mécanique, Gibson-Ashby. --
ABSTRACT : Additive manufacturing, particularly laser powder bed fusion (LPBF), offers new opportunities for designing optimized lattice structures that meet industrial requirements for weight reduction and mechanical performance. However, their widespread adoption faces major challenges, including systematic discrepancies between the theoretical and actual properties of printed lattices, as well as difficulties in accurately modeling their behavior in complex geometries. These limitations impede their use in critical applications such as aerospace and biomedical fields. This research focuses on integrating lattice structures into a comprehensive methodology combining numerical modeling, experimental characterization, and generative design optimization. The study examines lattice structures printed in 18Ni300 maraging steel using an EOS M290 machine, organized into three complementary phases. The initial geometric characterization phase revealed a linear relationship between surface-to-volume ratio (S/V) and relative density deviations, with 70% of these deviations attributed to characteristic thickness variations. Parameter compensation through design adjustments proved more effective than printer offset modifications for the selected Gyroid structure. The subsequent mechanical characterization phase enabled calibration of a Gibson-Ashby model incorporating manufacturing imperfections, validated through tensile testing of 3 mm Gyroid structures with 20-30% relative density. Periodic homogenization simulations required correction coefficients to reduce discrepancies between numerical and experimental results. Finally, a case study demonstrated the model's effectiveness on a generatively optimized part where numerical predictions of mechanical behavior were experimentally confirmed. This work presents a structured and innovative methodology, demonstrating the effectiveness of combining homogenized lattices with generative design. Results show the approach enables accurate prediction of elastic behavior while simplifying structural dimensioning. It opens promising prospects for industrial applications requiring lightweight, robust, and optimized components. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Lattice structures, Generative design, Additive manufacturing, LPBF, Maraging steel 18Ni300, Homogenization, Optimization, Weight reduction, Mechanical performance, Gibson-Ashby.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Mémoire)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Brousseau, Jean
Information complémentaire :	Mémoire présenté dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie en vue de l'obtention du grade de Maître ès sciences appliquées (M. Sc. A.).
Mots-clés :	Fabrication additive; Fusion sur lit de poudre (LPBF); Fusion laser sélective (LSM); Structures en treillis.
Départements et unités départementales :	Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Date de dépôt :	10 févr. 2026 16:10
Dernière modification :	10 févr. 2026 16:10
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/3427