« Use of additive manufacturing for functional rehabilitation »

Doctorant : Valentine DELBRUEL

Laboratoire INSA : MATEIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Since 2017, Humanity and Inclusion has used Fused Filament Fabrication (FFF) to produce prosthetics and orthotics in low-income countries. The initial outcomes were promising, but reliance on imported PP filaments from Europe led to logistical issues. This project aims to recycle plastic waste into 3D-printing filament for local orthopedic device manufacturing in Togo. First, a study evaluated PET, PP, and TPU materials based on availability, recyclability, printability, and mechanical properties. PP was selected for its semi-rigidity, ensuring patient comfort and support. Second, the printability and properties of PP-PE blends from recycling plants were studied. Thermal and rheological analyses highlighted the most promising composition for FFF: a PP matrix with 30 to 50% HDPE. Satisfactory mechanical properties were obtained due to in-situ compatibilization during processing. Ultimately, recycled blends with 70% PP – 30% HDPE, sourced from post-consumer waste from food packaging and post-industrial waste from orthopedic sheet production scraps, were transformed into filament and 3D-printed into AFOs through an optimization of the processing parameters. Third, durability assessments examined the accelerated aging resistance of PP under Togo weather conditions. Recycled PP was sensitive to thermo- and photo-oxidation due to impurities and degraded stabilizers. However, 3D-printing limited process-induced degradation, showing promise for aging resistance. Finally, mechanical tests on a walking bench compared 3D- printed AFOs from virgin and recycled materials with thermoformed PP AFO. While the thermoformed AFO showed the highest resistance, 3D-printed AFOs exhibited similar resistance, with virgin AFOs showing ductile rupture and recycled AFOs showing brittle rupture, highlighting the potential of recycled materials. To conclude, the perspectives for humanitarian applications are discussed, emphasizing the potential of emerging techniques such as Fused Granular Fabrication, which could simplify the manufacturing process and reduce costs.

Experimental and theoretical analyses of the Rolling Contact Fatigue for indented surfaces

Doctorante : Aurore GOIGOUX

Laboratoire INSA : LAMCOS

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

L’électrification des véhicules induit une modification des conditions opératoires des roulements présents dans les réducteurs. Cette application est caractérisée par une lubrification polluée.

Afin de développer des nouveaux matériaux efficacement, il est nécessaire de comprendre le mécanisme d’endommagement et d’en déduire les paramètres influents, ceci dans des conditions opératoires représentatives. Dans cet objectif, cette étude expérimentale et théorique est menée sur des roulements en 100Cr6 martensitique indentés par des particules dures. Le mécanisme d’endommagement est étudié basé sur deux approches : une caractérisation quantitative des indents et de leur endommagement et une caractérisation multi-échelle de la microstructure. Il est montré que les opérations de finition génèrent une fine couche plastiquement affectée à la surface qui n’évolue plus, ni après indentation, ni après fatigue, excepté sous l’épaulement de l’indent. Ainsi, l’épaulement est clé dans l’initiation de l’endommagement. D’abord, il se déforme et/ou s’use progressivement au cours de l’essai, son aspect de surface change et la zone rodée augmente. L’épaulement amont a un aspect de surface différent de celui aval, ce qui pourrait indiquer une déformation plastique plus avancée, expliquant la position préférentielle de la fissuration. Cette déformation engendre une plasticité avancée sous l’épaulement. Avec l’accumulation des cycles, une fissure s’y initie, certainement sur un défaut, comme l’interface carbure primaire/matrice. La propagation de la fissure n’est pas immédiate et consiste en deux processus distincts caractérisés par deux faciès de rupture différents. La fissure se propage d’abord dans une zone à la microstructure très fine, suggérant une propagation lente. La fissure modifie additionnellement la microstructure au-dessus d’elle, certainement par déformation et cisaillement entre les lèvres. La probabilité de fissuration est corrélée au temps d’essai, à la pression et au volume du creux de l’indent, mais pas à sa pente. L’influence du volume du creux pourrait s’expliquer par un volume d’épaulement plus important.

« Tomographic incompleteness maps and application to image reconstruction and stationary scanner design »

Doctorant : Matthieu LAURENDEAU

Laboratoire INSA : CREATIS

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

Computed tomography (CT) is one of the most commonly used modality for three-dimensional (3D) imaging in the medical and industrial fields. In the past few years, new X-ray sources have been developed based on carbon nanotube (CNT) cathodes. Their compact size enables the design of a new generation of multi-source CT scanners. In contrast to traditional systems with a single moving source, these scanners often adopt stationary architectures where multiple sources are static. It would benefit both industry with cheaper and motionless systems and medical applications with light-weight and mobile scanners which could be brought to emergency sites. However, this type of scanner uses a fewer number of measurements, known as projections, and may acquire data with a limited range of angles, leading to well-known image reconstruction challenges. This thesis focuses on the design of such stationary CT scanners. Three axes of study are investigated.

The first contribution is the development of an object-independent metric to assess the reconstruction capability of a given scanning geometry. Based on Tuy's condition, the metric evaluates local tomographic incompleteness and is visualized through 3D vector field maps. It is further extended to handle truncated projections, improving its applicability to real-world configurations. The metric enables ranking different geometries, predicting image quality reconstruction, and identifying the origin of geometric artifacts. It is applied to a variety of geometries, including existing scanners.

The second is a novel local regularization method to address limited-angle reconstruction challenges. The method employs a directional total variation (DTV) regularizer whose strength and directional weights are adaptively selected at each voxel. The weights are determined based on the previously introduced metric. Two approaches for directional weights are explored: ratio-based weighting relative to image axes and ellipse-based weighting. The reconstruction algorithm is evaluated in both 2D and 3D simulations, considering noiseless and noisy data, as well as real data.

The third is a tool for optimizing the geometry of CT scanners. Given a fixed number of sources and the surface area available for their positions, the tool optimizes the placement of sources based on the proposed metric. Several state-of-the-art optimization algorithms are implemented and tested on simple 2D and 3D scenarios.

« Nonstationary    vibration    diagnostics    of    rotating    machinery: application to aeronautic power transmission systems »

Doctorant : Fadi KARKAFI

Laboratoire INSA : LVA

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

Le bon fonctionnement des machines tournantes repose sur la surveillance vibratoire de composants rotatifs fragiles tels que les engrenages et les roulements. Concernant plus particulièrement le cas des systèmes de transmission de puissance en aéronautique, la surveillance vibratoire présente des défis considérables qui sont abordés dans cette thèse
: (i) les régimes de fonctionnement non stationnaires, qui nécessitent l'adoption d'approches synchrones, (ii) les interactions complexes entre différents sous-systèmes, susceptibles de masquer ou perturber les signaux de diagnostic et (iii) le bruit émis par diverses sources, tant environnementales qu’internes, rendant la détection des défauts plus difficile. Pour répondre à ces défis, les principes de diagnostic proposé dans cette thèse s'articulent autour de plusieurs objectifs : (1) une estimation fiable de la vitesse angulaire instantanée, permettant la synchronisation des signaux avec les variations du régime, (2) l'extraction des composantes vibratoires pertinentes pour isoler les composants mécaniques critiques et (3) l'application de diagnostics spécifiques à chaque composant, tenant compte des variations opérationnelles pour garantir robustesse et fiabilité. Les méthodologies développées sont validées par des données expérimentales, démontrant leur potentiel pour améliorer la fiabilité et la sécurité des systèmes de transmission en aéronautique.

« Development of signal processing techniques for vibration-based condition monitoring of industrial rotating machines »

Doctorant : Kayacan KESTEL

Laboratoire INSA : LVA

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

This dissertation introduces novel signal processing techniques and enhances existing ones for vibration-based condition monitoring of complex industrial rotating machines. The vibration-based condition monitoring field literature provides many solutions to reveal faulty patterns from a vibration signal. However, their performance on the vibration signals of modern complex machines has not been tested or is generally limited. Furthermore, they may often lack a robust version ready to be applied to real measurements. This study addresses these limitations with several proposals. Key research areas include the development of a stable blind filtering method to optimize Finite Impulse Response (FIR) filters for efficient fault detection and testing the proposed method on vibration signals obtained from a wind turbine gearbox. Additionally, the thesis advances the use of Generalized Likelihood Ratio test (GLRT)-based indicators for more stable and effective monitoring and proposes new statistical indicators with defined thresholds for improved reliability. Furthermore, it explores the impact of operational and environmental conditions on the vibratory behavior of wind turbine drivetrains, aiming to enhance the understanding and assessment of gearbox health through dynamic behavior analysis under varying conditions. These contributions offer substantial advancements in the practical application of signal processing in condition monitoring.

 

Développement d'un procédé de traitement de surface par impulsions électromagnétiques et étude des transformations mécaniques induites

Doctorant : Loup PLANTEVIN

Laboratoire INSA : LaMCoS

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

Le traitement de surface de métaux est un point clé dans les secteurs nécessitant une forte résistance aux environnements très contraints, car il améliore les caractéristiques de la pièce traitée. Traditionnellement, le grenaillage (impacts de billes sur cette pièce) est la méthode la plus courante. Cette méthode, bien que simple à mettre en place, présente de nombreux inconvénients. Issu donc d'un besoin industriel, le grenaillage par impulsions électromagnétiques est une méthode innovante, traitant plus en profondeur, de manière plus contrôlée et sans pollution ni altération de l'état de surface.

Cette méthode, encore très peu étudiée dans le monde, sera présentée dans ces travaux. Le détail physique du phénomène sera d'abord exposé, afin d'en expliquer le fonctionnement, d'en caractériser ses bénéfices attendus ainsi que de dresser un cahier des charges pour sa réalisation pratique. Une fois ces fondations théoriques posées, une partie expérimentale présentera le dispositif de traitement retenu. De par la grande quantité d'énergie nécessaire pour le traitement, un soin particulier est pris pour la conception de ce dispositif. Celui-ci sera utilisé sur deux géométries d'aluminium AA6061 : un prisme et un cylindre.

Enfin, l'exploitation des résultats obtenus à partir du dispositif expérimental montreront la validation d'excellentes capacités du traitement de surface proposé. Notamment, la méthode a permis de multiplier par 15 la profondeur exploitable de traitement, ce qui ouvre la voie à de nombreuses applications inenvisageables jusque-là.

Par ailleurs, des méthodes originales de mesures et caractérisations ont été étudiées. De nombreux capteurs magnétiques ont été évalués et comparés. Ces capteurs permettent une indication rapide, simple et non-invasive sur la qualité du traitement effectué.

Uplink Resource Allocation Methods for Next-Generation Wireless Networks

Doctorant : Alix JEANNEROT

Laboratoire INSA : CITI

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

Face à la diversité des besoins en communication des réseaux 5G et 6G, l'allocation des ressources disponibles est considérée comme un élément clé pour augmenter la densité de dispositifs, leur débit ou la fiabilité des communications. Dans les réseaux de communication de type machine, des travaux récents ont proposé d'adapter l'allocation des ressources temporelles en fonction du processus sous-jacent qui régit l'activité des dispositifs. Cette thèse se concentre tout d'abord sur l'étude de l'impact d'une connaissance imparfaite de ce processus, et propose des méthodes pour atténuer le biais induit par les connaissances erronées. Ensuite, un algorithme permettant d'optimiser conjointement l'allocation des ressources temporelles et la puissance de transmission des dispositifs est proposé. L'algorithme permet aux dispositifs ayant une forte probabilité de transmettre sur les mêmes ressources de le faire avec une diversité de puissance suffisante pour assurer qu’ils soient décodables par la station de base. Enfin, dans les réseaux ayant un objectif de haut débit, nous proposons d'optimiser conjointement la puissance, les ressources fréquentielles ainsi que le nombre de couches utilisées par les dispositifs. Notre étude par simulations montre que notre optimisation conjointe est significativement plus performante que les méthodes utilisées actuellement en 5G pour lesquelles ces paramètres sont calculés indépendamment les uns des autres.
 

Responsible production in agricultural supply chains: An impact of Information transparency

Doctorante : Qing LI

Laboratoire INSA : DISP

École doctorale : ED512 : InfoMaths (Informatique et Mathématiques de Lyon)

This thesis addresses a novel research problem in agricultural supply chains by integrating the study of responsible production with information transparency. Building on existing research in responsible production, we clarify responsible production to production efficiency, food waste reduction, and product quality improvement. Grounded in the research on information transparency, this thesis shows the specific format of information transparency in agriculture and models the characteristics of these phenomena based on the knowledge of agricultural cooperatives, blockchain technology, product traceability, quality testing, and moral hazard.

Évolutions des régimes de travail industriel et mutations urbaines: L’exemple de l’entreprise Berliet et de l’agglomération lyonnaise : 1950-2020

Doctorante : Éléonore GENDRY

Laboratoire INSA : EVS

École doctorale : ED483 : ScSo (Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science Politique, Scociologie, Anthropologie)

Les relations entre l’activité et l’urbanisation sont aussi anciennes que l’existence des villes. Si ces liens ont particulièrement été étudiés pour les périodes du XIXe siècle et du début du XXe siècle, leur observation n’est que peu détaillée après-guerre. Or, l’industrie n’a jamais été aussi présente dans notre environnement dessinant des sociétés hyper- industrielles caractérisées par un continuum entre la production de biens et de services, la consommation de masse, les industries financières et culturelles, engendré par le développement du numérique. Pour saisir plus précisément les transformations urbaines héritées des évolutions de l’industrie, cette recherche s’intéresse aux mutations du travail ; ces dernières étant elles aussi liées aux changements industriels.
L’étude porte plus particulièrement sur l’usine de production de véhicules industriels Berliet implantée depuis 1917 sur les communes de Vénissieux et de Saint-Priest dans l’agglomération lyonnaise. Pour appréhender les mutations du travail au sein de cette entreprise, l’enquête s’intéresse à l’évolution de la production des moteurs Berliet entre 1950 et 2020 à l’aide des traces laissées par ces changements : journaux d’entreprise, correspondances, rapports et ouvrages spécialisés, plans ou encore photographies. Des entretiens menés auprès d’actuels ou d’anciens salariés de l’entreprise explicitent certaines traces lacunaires.
À l’issue de cette enquête, les transformations urbaines liées aux mutations du « travail industriel » s’observent autour de l’organisation et de la distribution de l’appareil productif, de l’habitat et des infrastructures de transport. Considérant l’observation de ces interdépendances entre l’industrie et la ville, il peut être avancé que des états urbano-industriels se distinguent au sein de l’agglomération lyonnaise simplifiés en deux morphologies urbaines idéales-typiques : l’une industrielle (1950-1973), l’autre hyper- industrielle (2000-2020). L’observation de ces états, caractérisés par des encastrements multiples entre industries, logements, infrastructures, etc., incite à concevoir les politiques industrielles comme une politique globale s’intéressant à l’activité productive, mais aussi aux questions du logement ou des déplacements.
 

Multi-criteria optimization for the management of intensive care beds in an epidemic context

Doctorante : Fang WAN

Laboratoire INSA : DISP

Ecole doctorale : ED512 Infomaths

In this study, we explore the various challenges of healthcare resource management in the context of the COVID-19 pandemic, such as multiple uncertainties, multi-objective considerations, and diverse research subjects. The focus is on issues like medical resource allocation, priority setting, predictive models, and hyperparameter optimization. First, we conduct an in-depth investigation into intensive care units (ICU) bed allocation strategies, primarily considering how to reasonably distribute ICU beds among different patient types to maximize admission rates, patient satisfaction, and resource utilization, while maintaining scheduling stability under the influence of uncertainties. Then, Considering the upstream resources related to ICUs, especially the direct impact of operating room (OR) on ICU bed allocation, we coordinated the optimization of the OR and ICU modules. We examined the impact of OR allocation on ICU bed distribution, particularly in the context of random emergency patient arrivals. We explored how to minimize peak ICU bed demand, reduce delays in elective surgeries, and minimize healthcare staff overtime. Next, due to the random arrival of emergency patients, uncertain surgery duration, and prolonged length of stays (LOS) of patients in ICU, we first predicted emergency patient arrivals, patients' surgery durations and LOS, and then allocated ORs for both emergency and elective patients. Our goal is to provide timely emergency services and improve the utilization of ORs and ICU beds while minimizing the cancellation of elective surgeries. We also compared the performance of large language model (LLM) and traditional algorithms in the allocation of ORs and ICU beds. The performance of the models was further improved through hyperparameter optimization. Finally, we summarize the key findings of this research and provide suggestions for future research directions, particularly in improving the resilience and adaptability of medical resource management systems.