Impression 3D de Batteries Lithium-ion par Direct lnk Writing

Doctorant : Samuel SIMAGA

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : ED34 Matériaux

La demande croissante en sources d'énergie électrique autonomes pousse à repenser les méthodes de stockage de l'énergie. Parmi les différentes technologies disponibles, le stockage électrochimique en batterie lithium-ion se distingue par sa densité énergétique élevée. Toutefois, la conception des cellules Li-ion et le processus d'enduction des électrodes n'ont pas fait l'objet de changements significatifs depuis l'émergence des premières batteries commerciales de ce type. Dans ce contexte, la fabrication additive apparaît comme une approche prometteuse permettant l'accès à des assemblages au design complexe, inaccessibles avec les méthodes de fabrication traditionnelles. Les travaux présentés dans ce manuscrit couvrent le développement de formulations d'électrodes à faible empreinte environnementale, compatibles avec la technique de fabrication additive Direct lnk Writing (DIW). Cette technique permet d'imprimer des matériaux couche par couche en 3D avec, dans le cas présent, une résolution de 200 micromètres. Des formulations d'encres aqueuses d'électrodes de batterie lithium-ion à base de graphite et de LiFePO. ont été développées, dans ce travail. Les propriétés rhéologiques des encres ont été optimisées pour permettre une impression par DIW avec des taux de matière active élevés (près de 90 %) tout en présentant après séchages des propriétés électriques et mécaniques appropriées pour leur utilisation en tant qu'électrodes. Ces électrodes imprimées affichent des performances électrochimiques remarquables en offrant une capacité similaire à celle des électrodes enduites de manière traditionnelle. Ces électrodes imprimables amènent à un changement de paradigme concernant la cellule, notamment la prise de contact électriques et l'encapsulation. Ces travaux ont également permis de proposer des pistes de recherche et de présenter des premiers résultats concernant des cellules conçues pour des structures complexes, telles que des motifs cathodes/anodes interdigités. En conclusion, l'impression 3D par DIW apparaît comme une méthode prometteuse pour la conception de microbatteries lithium-ion, offrant une voie attractive
pour répondre à la demande croissante de dispositifs portables ou de batteries lithium-ion architecturées. L'impact environnemental a été considéré dans ces travaux en sélectionnant des matériaux dont la mise en œuvre peut être réalisée dans l'eau et qui sont abondants.
 

Analyses expérimentales et numériques du comportement des accouplements à ressort en conditions quasi-statiques et dynamiques

Doctorant : Elias RECHRECHE 

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale :  ED162 MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique)

Les travaux de thèse ont été effectués grâce à un financement CIFRE dans le cadre d'une collaboration entre l'entreprise CMDgears et le Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (LaMCoS UMR CNRS 5259) de l'INSA de Lyon. Les accouplements à ressorts sont des éléments de transmission connus pour leur flexibilité torsionnelle et leur capacité à compenser les déflexions thermiques et les désalignements entre les arbres. Ils sont utilisés comme solutions polyvalentes pour relier les arbres dans les transmissions à fortes charges, du fait de leur capacité à atténuer les vibrations potentiellement nuisibles. Cependant, malgré cet intérêt reconnu, la littérature sur le sujet reste peu abondante. L'objectif principal de ces travaux est de permette une analyse fine du comportement statique et dynamique de ce composant. Pour cela, un modèle tridimensionnel complet d'accouplements à ressorts a été développé intégrants d'éventuels écarts entre moyeux. Cet outil de simulation permettra l'amélioration des caractéristiques dynamiques de ces accouplements par rapport aux exigences de plus en plus sévères des machines industrielles. Ces accouplements se composent d'un ressort en contact avec les dents des moyeux, qui possèdent un bombé longitudinal, permettant ainsi de relier les arbres d'entrée et de sortie, même en cas de désalignement. Un boîtier englobant le ressort et les moyeux est présent autour de l'accouplement permettant d'encapsuler le lubrifiant tout en maintenant le ressort dans les directions radiale et axiale. En conséquence, une stratégie de modélisation hybride, combinant des éléments finis et des éléments à paramètres concentrés, est proposée pour prendre simultanément en compte les échelles globale (arbres/moyeux/boîtiers) et locale (contacts). Dans ce cadre, le ressort est représenté par une série de segments, modélisés à l'aide d'éléments de poutre de Timoshenko. Parallèlement, les moyeux sont traités comme des solides rigides, mobiles dans l'espace. Les interactions de contact entre les dents des moyeux et le ressort sont, quant à elles, modélisées à l'aide de fondations élastiques de Winkler.
Enfin, le boîtier est modélisé par des éléments de raideur en translation introduits entre la base de chaque boucle du ressort et un point de fixe du moyeu. À chaque pas de temps, les problèmes de contact et l'intégration des équations du mouvement du système complet sont traités simultanément afin de tenir compte des interactions possibles entre les échelles locales et globales. Un ensemble de résultats de simulation sont présentés, mettant en évidence le comportement des accouplements à ressorts dans des conditions de fonctionnement réalistes. Il est démontré que ces accouplements présentent un comportement torsionnel raidissant, causé par le déplacement sous charge des zones de contact entre le ressort et les moyeux. Dans le cas de moyeux désalignés reliés par plusieurs ressorts, la raideur torsionnelle de l'accouplement varie avec la position angulaire, générant ainsi des excitations paramétriques qui contribuent à la dynamique du système. En présence d'une excitation extérieure dont la fréquence varie, la réponse dynamique présente des sauts d'amplitudes, caractéristique d'un système non-linéaire. Parallèlement, un banc d'essai expérimental a été spécialement conçu pour permettre des comparaisons avec le comportement simulé. Ce dispositif a notamment mis en évidence l'importance du jeu axial entre le ressort et le boîtier. L'analyse des résultats montre la capacité du modèle à simuler de manière satisfaisante les réponses temporelles et fréquentielles de l'accouplement.

Déploiement de stations de base déplaçables dans des réseaux cellulaires

Doctorant : Zhiyi ZHANG

Laboratoire INSA : CITI

École doctorale : ED 512 Infomaths

Travaux de thèse dirigés par Monsieur Razvan STANICA et Monsieur Fabrice VALOIS

Composition du jury proposé

M. Razvan STANICA    INSA Lyon    Directeur de thèse
M. André-Luc BEYLOT    ENSEEIHT    Rapporteur
Mme Véronique VEQUE    Université Paris Saclay    Rapporteure
M. Fabrice VALOIS    INSA Lyon    Co-directeur de thèse
M. Walid DABBOUS    Centre Inria d’Université Côte d’Azur    Examinateur
M. Xavier LAGRANGE    IMT Atlantique    Examinateur

Mots-clés : Stations de base déplaçables, Réseau mobile, Mobilité,,

Résumé :
Dans les réseaux mobiles commerciaux actuels, nous utilisons des stations de base fixes (FBS) pour fournir des services aux utilisateurs. Cependant, la première étape pour déployer des stations de base fixes nécessite des études détaillées pour déterminer l'architecture, l'emplacement des stations de base, leur capacité, leurs configurations, etc. Avec la miniaturisation des équipements électroniques et la virtualisation des fonctions réseau, il est désormais possible d'envisager d'intégrer des stations de base sur des plateformes mobiles (par exemple, des drones) capables d'ajuster leur position lorsque cela est nécessaire. Pour le projet ANR DEMON qui finance cette thèse, l'objectif est d'établir un réseau mobile adaptatif avec des stations de base déplaçables (MBS). Les MBS peuvent ainsi se repositionner pour s'adapter aux changements du réseau en temps réel. Tout d'abord, nous devons comprendre ce que l'utilisation des MBS dans les réseaux mobiles peut apporter aux utilisateurs et aux opérateurs de télécommunications. Par conséquent, cette thèse explore les avantages et les limites de l'utilisation des MBS dans les réseaux mobiles. Nous étudions progressivement l'utilisation des MBS dans trois scénarios : une zone d'urgence après un désastre, un quartier urbain et une ville entière. Dans cette thèse, nous montrerons que les MBS peuvent ajuster leur position en temps réel en fonction de la mobilité des utilisateurs et des demandes des utilisateurs. Les MBS peuvent souvent surpasser les FBS en termes de performance, avec moins de stations de base déployées. Par exemple, lorsque les utilisateurs forment un groupe, si les MBS et les FBS ont la même puissance d'émission, les MBS peuvent quadrupler le débit utilisateur. De plus, nous mettrons en avant que lorsque la puissance d'émission des MBS est inférieure de 50 dBm à celle des FBS, les performances peuvent être comparables. La demande de trafic dans les réseaux mobiles évolue dans le temps et dans l'espace. En utilisant des FBS, nous devons répondre à la demande la plus élevée. Grâce à la flexibilité et à la mobilité des MBS, celles-ci peuvent être auto-déployées uniquement lorsque cela est nécessaire, ce qui réduit les coûts d'environ 20 %. L'utilisation des MBS permet de rendre le concept de réseau auto-déployable une réalité.

« Commande d'un moteur hydraulique digital à pistons radiaux »

Doctorant : Justin DARNET

Laboratoire INSA : Ampère

École doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique, Automatique)

Les transmissions hydrauliques sont aujourd’hui très répandues dans les domaines de l’industrie, du transport et de la mobilité des engins de forte puissance. Au cours des dernières décennies l’hydraulique dite digitale a fait l’objet de nombreux travaux de recherche, se présentant comme une solution permettant de réduire la consommation énergétique des transmissions et d’améliorer leur pilotabilité à moindres coûts. Des nouvelles architectures de moteurs hydrauliques comprenant des électrovannes digitales ont ainsi pu voir le jour. Nous nous sommes intéressés à la commande des moteurs hydrauliques digitaux à pistons radiaux en vue d’améliorer, à terme, le rendement et la motricité des machines qui en seront équipé.
Après avoir étudié les architectures et les lois de commandes disponibles dans la littérature pour ce type de composant, nous avons pu construire différents modèles du moteur hydraulique digital considéré. Une première loi de commande innovante a été synthétisée en vue de contrôler le couple d’un moteur élémentaire, en considérant la compressibilité de l’huile. Des contraintes de commande ont pu être proposées et intégrées au contrôle afin de faciliter l’intégration du composant dans une transmission hydraulique. Pour clore cette étude, une discussion des verrous technologiques restant à lever a été menée.
Par la suite, nous avons étudié deux autres lois de commande déjà connues de la littérature et notamment utilisées pour contrôler des machines électriques et des moteurs/pompes hydrauliques digitaux. Une commande directe du couple a alors été analysée en détails, puis mise en œuvre pour contrôler le couple ou la vitesse du moteur digital. Enfin, nous avons synthétisé une commande prédictive afin de contrôler la vitesse du moteur de manière efficace, avant d’étudier en détails l’influence des différents paramètres de commande sur le comportement du moteur.
 

« Development of 5xxx Aluminium Alloys for Additive Friction Stir Deposition »

Doctorante : Maureen PUYBRAS

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale :  ED34 : Matériaux de Lyon

Additive Friction Stir Deposition (AFSD) is gaining significant attention for its ability to fabricate large-scale aluminum components without requiring melting, making it an attractive technique for reducing energy consumption. Given the challenges associated with post-heat treatment of large components, this work seeks to minimize the need for such thermal treatments. In this context, Al- Mg alloys—specifically the 5XXX series, which are predominantly strengthened by magnesium in solid solution—were studied. These alloys, widely used in marine applications such as boat hulls, are prone to the formation of Al₃Mg₂ precipitates at grain boundaries. This precipitation process leads to "sensitization," making the alloy susceptible to intergranular corrosion and stress corrosion cracking in corrosive environments.
To counter-strike this issue, the study investigated the incorporation of (Sc, Zr) as Al₃(Sc,Zr) core- shell dispersoids. These dispersoids serve as heterogeneous nucleation sites for Mg, potentially influencing both magnesium precipitation and the AFSD process. Using isothermal artificial aging treatments, combined with thermoelectric power measurements, it was demonstrated that Al₃(Sc,Zr) dispersoids accelerate the precipitation of magnesium.
This thesis further explores the effects of AFSD on (i) alloy microstructure, (ii) Mg precipitation, and (iii) the stability of Al₃(Sc,Zr) dispersoids under various process parameters, with a particular focus on the rotational rate. Microstructural changes were analyzed through Electron Backscatter Diffraction (EBSD), revealing significant grain refinement due to the presence of dispersoids. Additionally, Transmission Electron Microscopy (TEM) and Atom Probe Tomography (APT) were used to assess the dispersoid structure and behavior before and after the AFSD process, shedding light on the impact of AFSD on second-phase particles. Finally, the study evaluated the sensitization resistance of these alloys, providing insights into their performance in corrosive environments.

« Compilation of Real-Time Audio DSP on FPGA »

Doctorant : Maxime POPOFF

Laboratoire INSA : CITI
École doctorale : ED512 : Infomaths

La mise en œuvre du traitement du signal numérique (DSP) audio en temps réel sur FPGA a été largement étudiée dans le passé. Jusqu’à présent, les designs hardwares audio étaient conçues soit "à la main" en VHDL, soit en assemblant des IPs prédéfinies dans des environnements dédiés. L’avènement de la synthèse de haut niveau (HLS) permet un véritable flux de compilation depuis les spécifications DSP audio de haut niveau jusqu’aux flux binaires FPGA. Cette thèse présente les principes et l’implémentation du premier “compilateur DSP audio” ciblant les FPGA.
Notre système compile les programmes DSP audio exprimés dans le langage Faust ou C++ jusqu’au matériel FPGA et jusqu’à la production sonore réelle. De nombreux paramètres tels que le nombre de canaux de sortie, le taux d’échantillonnage, etc. sont ajustés automatiquement par le compilateur. Des interfaces logicielles peuvent être générées pour contrôler le système en temps réel. Ce flot de compilation présente deux avancées technologiques importantes pour les programmeurs audio : l’implémentation de programmes DSP audio en temps réel à très faible latence (quelques microsecondes) et la possibilité de déployer facilement des systèmes avec un grand nombre de canaux audio.

 

« Noise annoyance in open-plan offices and occupant fatigue: a study on the influence of age-related hearing loss »

Doctorant : Nicolas Fernando PONCETTI

Laboratoire INSA : LVA
École doctorale : ED162 : Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Open-plan offices are common in the tertiary sector, yet occupants often complain about noise, particularly from co-worker conversations. This issue can differently affect normal hearing people and those with presbycusis. This study examines the impact of mild hearing loss (early-stage presbycusis) on performance, fatigue, and perceived workload, with a focus on the effect of irrelevant speech. An analysis of the decrease in performance on a serial recall task as a function of the intelligibility level of irrelevent speech was conducted with young, normal-hearing subjects under two auditory conditions: with and without a hearing loss simulator, as well as with hearing-impaired elderly subjects. Participants were exposed to five noise conditions and silence. Subjective intelligibility was also measured. The results showed a minor, non-significant difference in decrease of performance between normal-hearing and hearing-impaired participants. The hearing loss simulator produced results comparable to those of the older group, validating its efficacy. A second experiment involving prolonged noise exposure was conducted to examine factors such as fatigue and workload, which are challenging to evaluate in shorter experiments like the first one. In this experiment, a working day was simulated in an open-plan office, where participants performed clerical tasks while exposed to irrelevant speech. The results indicate that the intelligibility of the noise does not appear to significantly impact perceived fatigue and workload. Again, no notable differences were observed between the two groups studied.

 

« Photonics-based environmental sensors for automotive air quality monitoring »

Doctorante : Chander BHAN CHANDER BHAN

Laboratoire INSA : INL
École doctorale : EDA160 : EEA (Électronique, Électrotechnique, Automatique)

La pollution de l'air demeure un défi de santé publique, entraînant des problèmes de santé graves tels que des infections respiratoires aiguës, le cancer du poumon, etc.. Cela est principalement dû à l'inhalation d'air contenant de fortes concentrations de polluants, en particulier les hydrocarbures polyaromatiques comme le fluoranthène et le benzène, qui sont des polluants PM2.5 (particules d'une taille <= 2,5 µm) courants émis par les véhicules, les industries, etc. Les solutions actuelles sur le marché pour mesurer ces polluants, telles que les compteurs de particules optiques et les dispositifs MEMS basés sur les principes de diffusion de la lumière, sont souvent peu fiables, offrant une sensibilité réduite pour les particules fines (tailles < 0,1 µm). Par conséquent, il est nécessaire d'explorer des approches alternatives, telles que la manipulation de fluides sur puce par la lumière à l'aide de dispositifs photoniques intégrés, qui offrent une détection de taille de particule plus précise.
Cette thèse présente une solution utilisant des dispositifs de circuits photoniques intégrés sur une plateforme en SixNy pour la détection de l'indice de qualité de l'air. Pour surmonter les défis associés au piégeage de particules diélectriques de moins de 100 nm, la recherche explore diverses structures photoniques, notamment des guides d’onde diélectriques standards, des résonateurs en anneau à modes d'ordre supérieur (HOM) et des guides d'ondes plasmoniques hybrides. L'étude se concentre sur quatre composants clés de la photonique intégrée : les guides d'ondes en ruban diélectriques, les résonateurs en anneau HOM, les couplages par effilement inversé, et les résonateurs en anneau plasmoniques hybrides. Cette étude comprend leur conception, leur fabrication et leur compatibilité avec des plateformes industrielles telles que DAPHNE de STMicroelectronics. L'analyse des forces optiques, réalisée à l'aide de méthodes telles que le tenseur de contrainte de Maxwell et l'approximation de dipôle discret, fournit un cadre rigoureux pour optimiser la conception et évaluer différentes structures.
 

 

 

« Mobiliser le chargement ultrasonique pour caractériser la fatigue de contact roulant : une étude de l'amorçage »

Doctorant : Adrien DIDIER

Laboratoire INSA : LAMCOS

École doctorale :  ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique)

Les phénomènes d'endommagements causés par la fatigue de contact roulant sur une surface indentée sont reconnus comme responsables de la majorité des dysfonctionnements de roulements aéronautiques. Ces mécanismes d'endommagements sont encore mal compris en raison d'un manque crucial de données expérimentales. En effet, ces phénomènes ne se manifestent qu'après de nombreuses années, voire plusieurs décennies de fonctionnement, ce qui rend toute analyse expérimentale conventionnelle particulièrement laborieuse et chronophage. De plus, la simulation numérique de ce type d'endommagements est actuellement impossible, tant en raison du manque de données expérimentales disponibles que du nombre extrêmement élevé de cycles à simuler.
Afin de rendre accessible l'étude des sollicitations gigacyclique, nous avons conçu un dispositif de fatigue ultrasonique capable de reproduire un trajet de chargement analogue à celui d'un roulement sur une surface indentée, avec un chargement localement multiaxial et non proportionnel. Ce parallèle entre les deux trajets de chargement a été établi grâce à des simulations numériques par éléments finis. Ainsi, le dispositif expérimental permet de simuler l'équivalent de plusieurs décennies d'utilisation, soit plusieurs milliards de cycles, en seulement quelques dizaines d'heures. Cette étude a ainsi permis d'établir de nombreux liens entre la fatigue de contact roulant et la fatigue ultrasonique.
Elle a notamment permis d'expliquer le phénomène de transition des sites d'amorçage de fissures, qui se déplacent de la surface vers la profondeur du matériau, dans le cadre de la fatigue à très grand nombre de cycles. De plus, une analyse approfondie du raffinement local de la microstructure a été réalisée, mettant en évidence un lien direct avec l'amorçage en fatigue gigacyclique. Ce phénomène de raffinement a pu être expliqué et attribué à la même cause sous-jacente dans le cas de la fatigue des roulements et de la fatigue ultrasonique : le glissement dévié des dislocations (cross- slip).
 

« Feasibility and performance of a LoRa 2.4 GHz network »

Doctorante : Gwendoline HOCHET DERÉVIANCKINE

Laboratoire INSA : CITI
École doctorale : ED512 : Informatique et Mathématiques de Lyon

Long-range (LoRa) technology and the LoRaWAN protocol, which mainly uses the sub- GHz frequency bands, subject to regional laws, have become more widely used as a result of the rise of the Internet of Things (IoT). To overcome these limitations, Semtech has released a version of LoRa dedicated to the 2.4 GHz industrial, scientific, and medical (ISM) band, which, among others, is common worldwide and has no duty-cycle limitations. However, this frequency band is already used by many wireless technologies, such as Wi-Fi and Bluetooth (BT), as well as by common devices like microwaves and surveillance cameras. It is essential to evaluate the feasibility and possible performance of this frequency shift before deploying LoRa on a large scale in the 2.4 GHz ISM band.
This thesis proposes a comprehensive experimental evaluation of LoRa technology in the
2.4 GHz ISM band, including a comparison of its communication range and reliability with the European sub-GHz band (868 MHz). We also study the coexistence of LoRa and Wi-Fi when they are overlapping transmissions. To improve the coexistence, we propose and compare several frequency hopping (FH) strategies for LoRa. Although the latter proposal is based on simulation, we also propose an original methodology for evaluating a frequency band and selecting the less noisy channels, which could facilitate the implementation of FH strategies in future LoRa 2.4 GHz gateways. Our work provides important recommendations for the deployment and expansion of LoRa in the 2.4 GHz ISM band.