Fabrication additive par stéréolithographie de composites céramiques pour application médicale : Du développement de pâtes spécifiques aux compositions et architectures adaptées

Doctorant : Sylvain FOURNIER

Laboratoire INSA : MATEIS
Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les techniques de fabrication additive fondées sur la photopolymérisation sélective de couches successives permettent l’élaboration de pièces céramiques complexes, avec une résolution de quelques dizaines de micromètres. Le procédé de stéréolithographie implique le raclage d’une pâte fortement chargée en particules céramiques, soumise à de grandes contraintes de cisaillement. La photopolymérisation laser entraîne ensuite le durcissement sélectif des parties de la pièce avant l’étalement de la prochaine couche. A la fin du procédé, des traitements thermiques sont appliqués pour supprimer le polymère et consolider l’objet céramique. Cette thèse porte sur l’étude du procédé en vue de son utilisation dans la fabrication d’implants spécifiques, adaptés à chaque cas clinique.
Notre approche associe la caractérisation fine des systèmes « polymère-poudre céramique » afin de diminuer les défauts d’étalement et de polymérisation qui peuvent compromettre les propriétés mécaniques des implants céramiques. Une étude rhéologique comportant des essais de cisaillement continu, oscillatoire et multiaxial nous a permis de rationaliser le comportement des pâtes et de comprendre l’impact de chaque élément de la formulation. L’écoulement du matériau à fort taux de cisaillement est perturbé par la rugosité des particules. La dispersion adéquate des particules permet d’éviter un rhéoépaississement de la pâte. L’ajout d’une vibration lors du raclage permet également de réduire la viscosité. Des mesures du degré de polymérisation par spectroscopie infrarouge ont montré une certaine inhomogénéité due à la fabrication couche par couche, ce qui nécessite un déliantage thermique contrôlé pour limiter la formation de fissures.
Dans un deuxième temps, des poudres composites à base de zircone cériée, présentant une certaine ductilité par transformation de phase, sont utilisées afin de limiter l’impact des défauts d’élaboration. Les composites élaborés présentent une microstructure plus hétérogène que ceux élaborés par pressage, ce qui tend à augmenter leur transformabilité, améliorant finalement la résistance aux défauts d’impression.

Mise au point d’une méthodologie de déconnexion des eaux urbaines à l’échelle d’un bassin versant

Doctorante : Violeta Alexandra MONTOYA CORONADO

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale :  ED162 MEGA

À l’ère de l’anthropocène, les villes se voient confrontées à la nécessité d’adapter leurs systèmes de drainage urbain, et de mettre en place une gestion intégrée des eaux pluviales visant à minimiser les rejets urbains par temps de pluie, notamment les rejets des déversoirs d’orage.
Trois objectifs étaient visés dans le cadre de cette thèse : (i) comprendre et conceptualiser les phénomènes complexes du système urbain afin de développer un modèle hydrologique et hydraulique (HH) à l’échelle du bassin versant urbain qui soit peu gourmand en paramètres d’entrée, et qui puisse modéliser les déversements à l’échelle annuelle ; (ii) améliorer les connaissances sur l’élaboration des stratégies de gestion des eaux pluviales à la source permettant de répondre aux défis liés aux déversements du réseau unitaire et ; (iii) évaluer l’impact, sur les déversements, de la dissémination globale (à l’échelle du bassin versant) et ciblée (à l’échelle de sous bassins versants) des ouvrages de gestions des eaux pluviales et leur robustesse pour faire face au changement climatique.
Pour répondre à ces objectifs, les différentes composantes urbaines contribuant aux déversements ont été caractérisées et quantifiées. Un modèle HH à base physique, parcimonieux et permet de simuler les déversements. L’évaluation du modèle a montré sa capacité à simuler les volumes déversés et fréquences de déversement à l’échelle annuelle. Ce modèle a été utilisé par la suite pour simuler des scénarios d’aménagement urbain. Les résultats montrent que si une gestion basée sur la déconnexion et la désimperméabilisation permet de réduire efficacement le volume et la fréquence de déversements, cet effort doit être réparti sur l’ensemble du bassin versant pour atteindre les niveaux réglementaires exigés. Enfin, une étude de sensibilité a montré que de telles stratégies de gestion des eaux pluviales permettraient d’atténuer les effets du changement climatique.

Contribution to the study of ejector expansion heat pump cycle: modelling and experimental approach

Doctorant : Cong YOU

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

This research addresses environmental concerns in the Heating, Ventilation, Air Conditioning, and Refrigeration (HVAC&R) industry by exploring carbon dioxide (CO2) as an eco-friendly alternative. The challenges of CO2, including its low critical temperature and high critical pressure, lead to its predominant use in transcritical mode, resulting in significant irreversibility during expansion. To overcome this, the study proposes the substitution of conventional expansion valves with ejectors in the transcritical CO2 heat pump cycle.

The ejector accelerates high-pressure CO2 through a nozzle, facilitating the mixing of low-pressure vapor from the evaporator and improving pressure recovery. Scientific validation confirms a reduction in compression work, establishing the ejector-based configuration as a more efficient alternative. Despite potential advantages, ejectors introduce complexities related to two-phase flow and sonic shock waves, necessitating simulation and experimental studies for enhanced performance.

The thesis conducts a comprehensive investigation, beginning with a review of refrigerant trends and a comparison of ejector technology with alternatives. Thermodynamic models are introduced, addressing key aspects such as isentropic efficiency, with novel data post-processing techniques proposed. The research introduces a 1-D homogeneous equilibrium model for the ejector region, validated and applied for parametric analysis and geometry design. This model is compared with 0- D thermodynamic models. Additionally, an experimental test facility provides insights into ejector performance across varying evaporation pressures.

In summary, this research significantly contributes to understanding transcritical CO2 heat pump cycles, specifically focusing on ejector technology. The integration of theoretical models and experimental studies offers essential insights for optimizing ejector design and operational parameters, meeting the evolving needs of the HVAC&R industry and promoting sustainable refrigeration applications.

5-Hydroxymethylfurfural (HMF) en chimie fine: reactions multicomposantes vers les 1,5-benzodiazepines et les 1,4- dihydropyridines

Doctorante : Jingjing JIANG

Laboratoire INSA : ICBMS

Ecole doctorale :  ED206 : Chimie de Lyon

Parmi les molécules de la plateforme furannique renouvelable biosourcée, le 5- hydroxyméthylfurfural a retenu notre attention en raison de sa riche réactivité chimique et de sa facile disponibilité à partir des sucres. Dans cette thèse, je me suis concentrée sur l'utilisation de molécules de plateforme furaniques issues de la biomasse, en particulier le 5-HMF, pour construire des hétérocycles azotés, par le biais de réactions à plusieurs composants qui présentent une économie d’atome avantageuse.

Une première approche a été l’application d’une cycloaddition multicomposante [4+2+1] dans la construction des 1,5-benzodiazépines cycliques. Utilisant de nouvelles conditions réactionnelles, cette réaction économe en atome combine le 5-HMF (ou ses dérivés) avec des o- phénylènediamines et des alcynones en présence d’acétate d'ammonium. L’application de ce protocole à un large éventail de substrats a conduit à une bibliothèque de benzodiazépines diversement substituées qui sont désormais disponibles pour être intégrées dans la chimiothèque de l'ICBMS pour de futures évaluations biologiques et biochimiques.

La deuxième aprtie de cette these a concerné l’utilisation du 5-HMF dans la synthèse de des dihydropyridine de Hantzsch. NH4OAc à la fois comme source d'azote et comme promoteur doux. Tout d'abord, des 1,4-dihydropyridines symétriques ont été préparées par réaction de 5-HMF, de deux molécules de β-cétoesters/β-dicétones et d'acétate d'ammonium dans des conditions sans solvant avec d'excellents rendements. Par la suite, nous avons étudié une version à quatre composants visant la formation sélective d’1,4-dihydropyridines dissymétriques, en remplaçant les 2 équivalents de β-cétoester par 1 équivalent de β-cétoester et un équivalent de 5,5-diméthyl-1,3- cyclohexanedione. Ce processus s’est révélé efficace soit sans solvant soit dans l’éthanol. Ainsi, l’application de cette reaction à divers substrat a conduit à une series de nouvelles 1,4- dihydropyridines symétriques ou dissymétriques comportant une entité furyl comme substituant qui seront intégrées dans des évaluations biologiques et biochimiques dans le cadre des projets développés par la chimiothèque de l’ICBMS.

Valorisation de la fraction fine des Mâchefers d'Incinération des Déchets non-Dangereux dans des matériaux cimentaires aérés

Doctorante : Manon BROSSAT

Laboratoire INSA : DEEP

Ecole doctorale : ED 206 : Chimie de Lyon

La fraction fine des MIDND (particules mesurant moins de 2 mm) représente 30 à 40 % de la masse des MIDND. Elle est rarement valorisée, notamment à cause des teneurs élevées en éléments traces métalliques qu’elle contient. Sa composition chimique et sa granulométrie en font néanmoins une candidate intéressante pour être utilisée comme matière première secondaire dans des matériaux cimentaires. De plus, la présence d’aluminium métallique dans les MIDND pourrait permettre son utilisation en tant qu’agent porogène pour la production de matériaux aérés. Cette thèse porte dans un premier temps sur la caractérisation physico-chimique de la fraction fine des MIDND en vue de son utilisation comme agent porogène, et vise notamment à évaluer la quantité et la réactivité de l’aluminium métallique. La démarche expérimentale de formulation des matériaux cimentaires est divisée en trois étapes. Les paramètres influençant les propriétés d’intérêt ont tout d’abord été identifiés au cours d’une étude sur pâte de ciment. L’optimisation de ces paramètres de formulation est réalisée sur mortier et est accompagnée de caractérisations physiques, microstructurales et environnementales. Les formulations jugées optimales ont alors été mises en œuvre sur bétons afin de vérifier la validité de la démarche expérimentale. Les résultats montrent que cette démarche permet de produire effectivement des mortiers et des bétons de MIDND avec des masses volumiques, résistances à la compression et conductivité thermique comparables à celles des matériaux aérés de référence. Les pores des matériaux avec MIDND diffèrent de ceux des matériaux aérés de référence par leur plus petite taille et par leur forme irrégulière. Les tests de lixiviation à l’échelle des bétons et de mortiers ont démontrés de faible relargage en polluants, compatibles, pour la grande majorité des matériaux, avec les seuils environnementaux définis par l’Arrêté du 18 novembre 2011 et le Soil Quality Decree.

Le bureau français de l’IEEE PES, avec l’appui du club « Systèmes électriques » de la SEE et du Comité National Français du CIGRE, a le plaisir de vous convier à la soirée annuelle de remise des prix des doctorants et ingénieurs de l’année 2024.

Lors de cette soirée, les lauréats auront l’occasion de vous présenter leurs travaux qui démontrent l'excellence scientifique et industrielle des membres de la Power & Energy Society. 

La soirée se déroulera le jeudi 21 mars 2024 à partir de 17h00 au sein de l'INSA Lyon et sera suivie du traditionnel pot de l’amitié. 

Une visioconférence sera également possible.

• 17h20 Accueil et introduction Gabriel Bareux, Président du Bureau, IEEE PES France
• 17h30 Interopérabilité industrielle des technologies HVDC Sébastien Silvant, R&D Manager, SuperGrid Institute Prix de l’ « outstanding engineer »
• 18h00 Hybridation des postes de transformation HTA/BT : conception et dimensionnement Frédéric Reymond-Laruina, Chercheur, GeePs Prix du doctorant
• 18h30 Le réseau de transport d’électricité français face aux défis du changement climatique et de la transition énergétique Gabriel Bareux, Directeur R&D, RTE
• 19h00 Pot de l’amitié

Planning Problems in a Multi-Tethered-Robot System

Doctorante : Xiao PENG

Laboratoire INSA : CITI
Ecole doctorale : ED512 : Infomaths

Multiple robot systems are widely applied in our real life. As a special type of mobile system, tethered robots play a crucial role in special contexts, particularly in challenging conditions, where cables provide stable access to power and network connectivity. However, constraints imposed by cables also introduce new challenges for motion planning in these applications. This thesis focuses on planning problems for a team of tethered robots, addressing two major problems: non-crossing Anonymous Multi-Agent Path Finding (AMAPF) and Multiple Tethered Coverage Path Planning (MTCPP).

The goal of non-crossing AMAPF is to find a set of non-crossing paths such that the makespan is minimal. The study is carried out in two cases, considering whether the robots are treated as point-sized or not. This hypothesis significantly influences the computation of makespan. The problem is abstracted to the Euclidean Bipartite Assignment problem and we show that bounds can be efficiently computed by solving linear assignment problems. We introduce a variable neighborhood search method to improve upper bounds, and a Constraint Programming model to compute optimal solutions. The approach is experimentally evaluated on three different kinds of instances.

The MTCPP problem is addressed by initially partitioning the workspace into equitable connected subregions, enabling each robot to operate independently in its assigned area. We propose an approach based on the additively weighted Voronoi diagram, ensuring an equitable partitioning that enforces relative star-convexity of each subregion to the associated anchor point, thereby avoiding cable entanglement. For the coverage path planning of each robot, the Spanning Tree Coverage method is shown to effectively solve the problem while respecting cable constraints.

Numerical assessment of heat stress in dwellings and immediate surroundings: development of a Microclimate Zonal Model coupled to Buildings models

Doctorante : Flavia BARONE

Laboratoire INSA : CETHIL

Ecole doctorale : ED 162 : MEGA

La persistance des épisodes de surchauffe urbaine affecte directement l’exposition aux stress thermique tout particulièrement en milieu urbain. Le but de cette thèse est donc de développer une méthodologie numérique pour évaluer le stress thermique quotidien et saisonnier dans le logement et son environnement proche. L’exposition est étudiée selon une approche eulérienne, par rapport à un lieu fixe, et une approche lagrangienne, par rapport au déplacement de l’individu. Ainsi, la thèse introduit les concepts de stress thermique, définit les indicateurs nécessaires et identifie les variables climatiques influentes ainsi que leurs échelles spatiales et temporelles. L’absence d’une approche de modélisation appropriée au stress thermique aux échelles spatiales et temporelles ciblées, conduit à développer et coupler un modèle zonal de microclimat (McZM) avec un modèle de bâtiment. Le McZM repose sur une interpolation linéaire des débits massiques obtenus avec un précalcul CFD k-epsilon RANS stationnaire. Les simulations CFD sont également utilisées pour prédire les vitesses du vent spatialisées, les coefficients de transfert convectifs et les coefficients de pression. Le McZM inclut un modèle de sol et des modèles radiatifs pour les calculs du rayonnement solaires et de grandes longueurs d’ondes, ainsi que pour le calcul de la température radiante moyenne. Pour les écoulements dans le bâtiment, un modèle de pression couplé au McZM et au modèle de de bâtiment est développé. Les composants des modèles sont soumis à une validation par comparaison avec d’autres modèles ou des données expérimentales. Une application du modèle sur un ilôt à Confluence, confirme les avantages de l’utilisation d’une approche spatialisée dans l’évaluation du stress thermique. Ce cas permet également d’évaluer les avantages relatifs de la mise en œuvre de différentes mesures de rafraîchissement sur le stress thermique.
Des perspectives d’amélioration du McZM actuel et de son processus de validation son suggérées.
 

Analysis and application of low-cost magnetostrictive materials for small-scale energy harvesting

Doctorante : Yuanyuan LIU

Laboratoire INSA : LGEF

Ecole doctorale : ED160 : EEA

À l'ère de l'Internet des Objets, les dispositifs autonomes sans fil dépendent principalement des piles, présentant des problèmes tels que la pollution, l'autodécharge et le remplacement fréquent. Par conséquent, une solution alternative rentable et durable est nécessaire. Notamment, la conversion d’énergie ambiante sous une forme électrique est une voie populaire dans les communautés scinetifiques et industrielles. En ce sens, les vibrations constituent une source d'énergie attractive en raison de leur disponibilité et leur densité d’énergie. Dans ce travail, la conversion magnétostrictive est sélectionnée en raison de la robustesse des matériaux.
Ce travail est structuré en trois composantes principales, chacune abordant un aspect spécifique de la récupération d'énergie : les transducteurs magnétostrictifs, les structures mécaniques et l'interface électrique. Tout d'abord, les matériaux magnétostrictifs sont étudiés et leur capacité de conversion d'énergie est évaluée afin de trouver une solution présentant un bon compromis entre coût et densité énergétique. Cette étude permet de mettre en avant le Metglas 2605SA1, matériau offrant des niveaux de couplages acceptables, tout en ayant un faible coût.
Deuxièmement, une structure mécanique est conçue pour un échantillon composé de feuilles de Metglas. Bien qu'une structure formée de deux poutres soit présentée dans la littérature, ses performances mécaniques nécessitent une exploration plus approfondie. Cette recherche examine des aspects tels que la forme du mode et la fréquence naturelle. De plus, la densité d'énergie récupérée est dérivée de manière expérimentale.
Enfin, une interface électrique est conçue sur la base d’un circuit oscillant. Le défi principal de cette interface est d’assurer un fonctionement à partir de la faible sortie en tension du transducteur magnétostrictif. Par conséquent, l'objectif principal est d’assurer une augmentation de la tension. Après la validation de l’interface électrique, l'ensemble du système, où le circuit est intégré à la struture comprenant le Metglas comme transducteur, est validé de manière expérimentale.

On the use of X-ray computed tomography to investigate the influence of surface integrity on the fatigue properties of additively manufactured Ti64

Doctorant : Florian STEINHILBER

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Manufacturing defects are known to significantly impact the fatigue properties of additively manufactured (AM) components. Notably, the large surface roughness, typical of AM processes, leads to increased stress concentrations that promote crack initiation, thereby reducing fatigue resistance. Traditionally, surface roughness and related defects are evaluated using tools like white light interferometers. However, these instruments offer a limited, single-perspective and only partially three-dimensional analysis. Those limitations do not enable the thorough characterization of the complex surfaces and hidden defects typical in AM components. This study describes a methodology for performing a 3D surface analysis using X-ray Computed Tomography (XCT) data. The method is illustrated on various samples, ranging from simple cylinders to more intricate architected structures. It turns out to be very efficient at detecting critical surface defects, such as notches hidden by partially melted powder particles. The methodology is then applied to examine the effect of surface defects on the fatigue properties of Ti64 produced by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). This analysis includes both as-built surfaces and those subjected to post-treatments, specifically investigating the impact of Plasma electrolytic Polishing (PeP) and surface oxygen contamination (presence of an
\textalpha-case layer) resulting from high-temperature heat treatment 860°C). Using XCT for 3D characterization, defects responsible for fatigue failure are identified, the latter being predominantly surface valleys. The method's ability to predict crack initiation locations is also evaluated, as well as its potential to estimate the fatigue resistance of a specimen before testing.