A new approach of lubricant behavior in highly loaded contact

Doctorante : Marjolaine GONON

Laboratoire INSA : LaMCos

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

This doctoral research focuses on lubricants behavior in highly loaded lubricated contacts (pressure > 1 GPa), or EHD (elastohydrodynamic) contacts, a vital aspect of engineering and industry. Under such high load, the friction coefficient (= tangential force/normal load) measured in these contacts may display a plateau regime at medium to high sliding velocities of the solid surfaces. It means that the macroscopic average shear stress becomes shear rate independent, associated in the literature to the lubricant Limiting Shear Stress (LSS)]. Previous work provided on molecular dynamic simulations revealed homogeneous and linear lubricant velocity profiles across the lubricant film thickness, even in the friction plateau regime, with no sliding at the walls. This implies that the friction plateau should result from an intrinsic property of the lubricant, reminiscent of the lubricant glass transition scenario. The present study investigates three model fluids: squalane, benzyl benzoate, and glycerol. Those fluids have been characterized in a high- pressure diamond anvil cell and a rheometer, both combined to two Brillouin light scattering spectroscopy set-ups. The results obtained from the new VIPA rig have been compared to those from TFP-1 and the literature. The results from high-pressure experiments have been compared to friction measurements previously conducted on squalane and benzyl benzoate. The study shows a correlation between the glass transition of these fluids and the onset of the friction plateau in EHD contacts. This research advances our understanding on friction in highly loaded lubricated contacts and highlights the importance of considering local dynamics when studying complex fluids under extreme conditions.These insights have the potential to improve lubricant development and to address friction-related challenges in engineering and industry.

Analysis and rendering of contact vibrational stimuli for tactile perception

Doctorante : Livia FELICETTI

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale :  ED162 MEGA

Among the 5 senses, the sense of touch is between the most articulated and the least understood. While we are able to master the signals that underlie sight and hearing, rendering them using loudspeakers and visual interfaces, the mechanisms underlying the sense of touch are still largely unknown. Touch, originating by the contact between the skin and the explored surface and involving several types of stimuli, requires a strongly multidisciplinary approach and involves a wide range of disciplines, such as Medicine, Neurosciences, Psychology, Dynamics, Tribology, Materials Sciences, and beyond. Tribology and Dynamics are involved in the study of all those complex phenomena that occur at the contact and that generate mechanical stimuli such as Friction-Induced Vibrations and contact forces, at the origin of the stimulation of skin’s mechanoreceptors. This Ph.D. thesis is collocated into a research line closely dedicated to the investigation of the role of Friction-Induced Vibrations (FIV) in mediating between the characteristics of surface textures and the way in which textures are perceived and discriminated. Analyses of vibrational stimuli originating from the exploration of periodic and isotropic textures have been carried out in the present work, revealing different key features in the discrimination of such textures. A tactile rendering device, named PIEZOTACT, has been developed to reproduce/mimic the FIV previously measured during the exploration of real surfaces, conducing as well campaigns on groups of volunteers, to evaluate their ability to discriminate real and simulated textures starting from the sole vibrational tactile stimuli. Finally, a multi-disciplinary collaboration with laboratories form Neurosciences and Psychology has been performed to evaluate the brain's response to the mechanical stimuli generated by the exploration of real and simulated surfaces.

 

Etude expérimentale et numérique de l'impact de la microstructure sur l'endommagement des roulements de ligne d'arbre moteur sous indentation

Doctorant : Amakoe Komlanvi AHYEE

Laboratoire INSA : LamCos

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les roulements sont des composants mécaniques essentiels qui facilitent la transmission de puissance et le guidage en rotation avec un frottement réduit. L’endommagement en surface reste aujourd’hui la principale source de défaillance des roulements, il est la plupart du temps dû à la présence de défauts en surface tels : les rugosités et les indents.
Cette étude porte donc sur la compréhension des mécanismes d'endommagement en surface des roulements dus à l'écrasement des particules. Ainsi une caractérisation des matériaux des roulements (M50, 32CDV13, M50NiL, M50NiLDH) ayant subi des traitements thermochimiques a permis d’identifier le gradient de micro-dureté ainsi que les lois de comportement matériau et leurs évolutions. Des modèles semi-analytiques prenant en compte les effets des bords ont été élaborés, mettant en évidence que les bords libres induisent une augmentation de l’amplitude de la pression de contact de Hertz ainsi qu’un décalage de cette dernière. Ainsi l’utilisation des solutions de Hertz pour résoudre le contact peut entraîner des erreurs pouvant atteindre jusqu’à 20% de la pression maximale de Hertz dans le cas d’un massif de dimension finie. Les effets de bords disparaissent et peuvent être négligés à partir d’une distance d/a ≥ 4. Pour simuler l’indentation sur les pistes de roulement, un modèle par éléments finis de type « couplé Euler-Lagrange » a été adapté afin de reproduire le processus d’indentation réel des roulements et d’en étudier les influences. Une étude paramétrique exhaustive du processus d’indentation a été menée, révélant ainsi que la taille, la nature, la forme et la position de la particule, les matériaux des roulements, la présence de glissement et son taux critique, ainsi que les contraintes résiduelles ont une influence significative sur la formation du bourrelet. L’étude de la fatigue de surface a impliqué l’utilisation de critères de fatigue notamment des critères dérivés de Dang van afin de localiser les sites d’amorçage des fissures. En s’appuyant sur la limite d’endurance expérimentale identifiée dans les travaux de Jacq et al. un critère d’endommagement basé sur la pente moyenne des bourrelets a été identifié. Ce critère permet de relier les propriétés des particules ainsi que les dimensions de l’indent. La pente moyenne critique ainsi que la hauteur de bourrelet critique sont donc identifiées via l’utilisation des expressions analytiques établies traduisant l’évolution des paramètres d’indentation.

 

Design d'un procédé de mise en compression par impulsions électromagnétiques post soudage ou fabrication additive

Doctorant : Komlavi Mawuli SENYO

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale :  ED162 MEGA

La mise en compression des pièces est une technique utilisée pour augmenter la durée de vie des pièces. Elle consiste à introduire des déformations plastiques et par la suite des contraintes résiduelles dans des pièces. Pour ce faire, plusieurs procédés ont été mis au point à savoir, le grenaillage, la mise en compression par choc laser, la mise en compression par jet d'eau. Ces procédés biens que permettant d'atteindre l'objectif de déformation plastique et d'introduction de contrainte résiduelle de compression, présentent des limitations et inconvénients. On peut citer la modification de l'état de surface, des profondeurs traitées faibles, des difficultés de contrôles ainsi que la contamination des milieux sensibles, etc. Des études sont menées sur de nouveaux procédés pouvant permettre d'avoir des mêmes résultats voire meilleurs que les procédés précités. Le procédé de mise en compression par impulsions électromagnétiques se classe dans ces nouveaux procédés. Il consiste à la génération d'un puissant champ électromagnétique dans une pièce conductrice de courant. Ce champ favorise la génération des forces de Laplace dans la pièce. Ces forces déforme plastiquement le matériau et en introduisant des contraintes résiduelles de compression dans la pièce. La modélisation et la simulation du procédé de mise en compression par impulsions électromagnétiques fait l'objet de cette thèse. La littérature est quasiment vierge en ce qui concerne ce procédé mise à part quelque travaux de modélisation 2D axisymétrique. Un modèle 2D couplé électromagnétique, mécanique a été mise en place pour simuler le procédé. Ce modèle a permis de confirmer la possibilité de mise en compression des pièces et l'influence de certains paramètres clés du procédé. Il a été utilisé également pour faire une étude de la tenue mécanique de l'inducteur. Enfin une approche de modélisation 3D a été présenté et utilisé pour faire une simulation multi- impacts du procédé.

Compréhension et optimisation du pompage énergétique multiphysique dans les absorbeurs de vibrations non-linéaires hybrides

Doctorant : Louis MESNY 

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Les absorbeurs passifs, également connus sous le nom de Tuned Mass Dampers (TMD), sont couramment utilisés pour réduire les vibrations. Leur principal avantage réside dans leur facilité de mise en œuvre. Cependant, leur plage d'efficacité est limitée, car ils sont conçus pour fonctionner à une fréquence spécifique. Au cours des dernières décennies, deux nouvelles voies ont émergé. Premièrement, l'hybridation qui combine des techniques de contrôle actif impliquant des actionneurs, des capteurs et des lois de contrôle avec un contrôle passif. Ce système combiné apporte une caractéristique "fail safe", ce qui signifie qu'il est robuste face aux défaillances des composants actifs et présente généralement des performances supérieures par rapport aux systèmes purement passifs. Deuxièmement, la fonctionnalisation des non-linéarités dans les absorbeurs de vibrations, on parle alors d'absorbeurs non-linéaires. Ces derniers peuvent être purement non linéaires, tels que le Nonlinear Energy Sink (NES), ou disposer en plus d'une partie linéaire, comme le Nonlinear Tuned Vibration Absorber (NLTVA). L'introduction de ces non-linéarités élargit la gamme d'applications des absorbeurs. Cependant, les non-linéarités peuvent également entraîner des phénomènes indésirables, tels que des solutions isolées ou des points de bifurcation, qui doivent être identifiés pour assurer un fonctionnement sûr et efficace. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est de combiner ces approches afin de surmonter leurs limitations individuelles. Le manuscrit fournira un aperçu détaillé des outils utilisés pour analyser les systèmes à dynamique non-linéaire couplés à un contrôle actif. Ces outils serviront ensuite de base pour la compréhension et la validation d'un absorbeur non-linéaire hybride expérimental.

Simulation de la mise en forme de renforts NCF de composites basée sur des approaches mesoscopique

Doctorant : Ruochen ZHENG

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Les méthodes de modélisation mésoscopiques sont de plus en plus utilisées pour les renfort fibreux car elles sont capables de capturer certains défauts locaux tels que les (par exemple les écarts) se produisant pendant le processus de drapage. Ils permettent également de réaliser une caractérisation virtuelle du matériau du tissu, utilisée ultérieurement dans des simulations macroscopiques. Un point clé de la simulation à méso-échelle est de disposer d’un modèle 3D précis basé sur la géométrie réelle afin de déterminer plus précisément les propriétés mécaniques du tissu. Un modèle mésoscopique de NCF biaxial est proposé, qui atténue le coût de calcul et donne une représentation précise du comportement effectif.

Modélisation des phénomènes de coalescence des fissures sous pression associés au procédé Smart Cut

Doctorant : Esso-Passi PALI

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale :  ED162 MEGA

La méthode X-FEM a été utilisée pour modéliser la rupture par coalescence des fissures dans le cadre du procédé Smart Cut. Le maillage fractal 3D a été implémenté pour réduire le temps de calcul en assurant une bonne précision sur le calcul des facteurs d’intensité des contraintes et le taux de restitution d’énergie. Un algorithme basé sur la méthode implicite d’Euler a été implémenté pour prédire la pression dans une fissure au cours de sa propagation et les résultats ont été validés par comparaison à la solution analytique d’une fissure circulaire se propageant dans un massif infini. Le modèle de coalescence de deux fissures en 3D a été développé et des critères de coalescence ont été établis. Une approche a été mise en place pour modéliser des fissures en 3D à partir de données expérimentales. Une technique prospective a ensuite été proposée pour évaluer l’exposant de rugosité à partir de la surface créée suite à la propagation d’une fissure. Enfin, une étude paramétrique a été menée pour évaluer les facteurs pouvant influencer la rugosité post-fracture et les critères de coalescence dans le Smart Cut, notamment la présence d’oxyde de silicium.

 

Dialogue modélisation, expérimentation en dynamique des rotors, des structures et vibrations induites par contact frottant

Maître de conférences : Eric CHATELET

Laboratoire INSA : LaMCoS

Composition du jury : 

Rapporteurs :

• Marie Ange BUENO
• Olivier BONNEAU
• Gaël CHEVALLIER

Jury :

• BUENO Marie Ange - Professeur - LPMT, Ecole Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Sud Alsace (ENSISA), Mulhouse
• BONNEAU Olivier - Professeur - Institut Pprime, Université de Poitiers-ENSMA, Chasseneuil
• CHEVALLIER Gaël - Professeur - Université de Franche-Comté - UFR ST, Besançon
• KHALIJ Leila - MCF HDR - LMN, INSA Rouen, Saint-Étienne-du-Rouvray
• MASSI Francesco - Professeur - DIMA, Université de la Sapienza, Rome
• JACQUELIN Eric - Professeur - IUT Lyon 1, Départ. GCCD - la Doua, Villeurbanne
• BOU-SAÏD Benyebka - Professeur - LaMCoS, INSA Lyon, Villeurbanne
• DUFOUR Régis - Professeur - LaMCoS, INSA Lyon, Villeurbanne

Modélisation multi-phénoménologiques des contacts et pour les procédés

Maître de conférences : Thibaut CHAISE

Laboratoire INSA :  LaMCoS

Composition du jury : 

Rapporteurs :

• DINI, Daniele
• DUMONT, Myriam
• RETRAINT Delphine

Jury :

• DINI Daniele - Full Professor - Imperial College London
• DUMONT Myriam - Professeur des universités - Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers, Lille
• RETRAINT Delphine - Professeur des universités - Université de Technologie de Troyes
• HILLS David - Full Professor - University of Oxford
• JOUBERT Charles - Professeur des universités    Université Lyon 1
• PEREZ Michel - Professeur des universités - INSA Lyon
• NELIAS Daniel - Professeur des universités - INSA Lyon
   

D’après l’OMS, seulement 5 à 15 % des personnes ayant besoin d’un appareil orthopédique y ont accès dans les pays à faibles revenus ou en contexte de guerre. Pour pallier ce constat, Handicap International a intégré l’impression 3D sur ses territoires d’intervention depuis 2017. Aujourd’hui, l’organisation non gouvernementale se voit confrontée à des problématiques logistiques coûteuses, liées à l’importation de la matière première depuis l’Europe. Et s’il était désormais possible de fabriquer des appareillages orthopédiques à base de plastiques recyclés, trouvés localement ?

 

 
Orthèse fabriquée par impression 3D au Togo. 
(Handicap International, Author provided).

 

Au sein de l’INSA Lyon, Valentine Delbruel, ingénieure INSA et doctorante, travaille sur l’optimisation de la composition d’un plastique recyclé, qui pourrait convenir à la fabrication additive d’orthèses : une façon de lutter contre la pollution plastique tout en rendant plus accessibles les solutions orthopédiques. Réalisés en collaboration avec Handicap International et trois laboratoires de l’INSA Lyon (MatéIS, IMP et LaMCoS), les travaux de la doctorante serviront aux équipes terrain d’Handicap International.  

L’impression 3D : une innovation pratique mais une logistique difficile
Traditionnellement réalisés par thermoformage, les appareillages orthopédiques relèvent d’un procédé de fabrication long et coûteux. Dans les zones où l’accès aux centres de soin est déjà difficile, les aller-retours nécessaires aux ajustements et le temps de rééducation sont des freins supplémentaires, rallongeant la procédure de soin de plusieurs semaines pour une prothèse. Depuis 2017, Handicap International utilise l’impression 3D pour pallier ce problème. Les fabrications sont facilitées, plus rapides et personnalisables à chaque patient. « L’impression 3D a changé la façon de prendre les mensurations des patients car elles peuvent être prises à distance grâce à un scanner 3D », explique Valentine Delbruel. « Seulement, ce type de fabrication nécessite des filaments composés de plastique qui sont actuellement fabriqués en Europe. Cela pose des problèmes logistiques, notamment aux niveaux des frontières. En constatant cette problématique rencontrée par ses équipes, Handicap International s’est interrogé : est-il possible de continuer à faire de l’impression 3D, avec des matières plastiques locales, si possible recyclées ? »

 

Le procédé de fabrication des orthèses par thermoformage classique est long et coûteux.
(©Valentine Delbruel)

 

Utiliser du plastique recyclé pour soigner et dépolluer grâce à l’impression 3D : un projet vertueux, mais ambivalent, comme l’a constatée Valentine lors d’un voyage d’observation au Togo. « Dans de nombreux pays d’Afrique, le service de collecte des déchets est un service payant. Souvent un luxe pour les familles à faibles revenus, ce manque de service public engendre une pollution plastique importante dans les milieux naturels. Faire du déchet plastique une ressource pour les foyers tout en répondant à un besoin d’accès à la santé serait doublement bénéfique. »

Des enjeux de durabilité et de solidité du matériau recyclé
Sur le papier l’idée tombe sous le sens, mais les enjeux scientifiques et techniques soulevés par la potentielle réutilisation de plastiques recyclés ne sont pas si simples à solutionner. « Les deux principales problématiques sont celles de l’imprimabilité de la matière recyclée et de sa durabilité ». D’une part, les propriétés rhéologiques¹ des matériaux sont étudiées. « Il faut une viscosité suffisamment faible pour que la matière s’écoule lors de l’impression, et dans le même temps, s’assurer que celle-ci maintienne sa forme une fois déposée ». D’autre part, il faut que la matière finale soit assez résistante pour durer dans le temps. « Et ça n’est pas une chose facile lorsque l’on mélange différents polymères », indique la doctorante qui réalise depuis trois années, différentes expérimentations afin de trouver la meilleure recette. « Il a fallu caractériser les déchets dans les pays d’intervention, qui ne sont pas nécessairement les mêmes que chez nous. Par exemple, j’ai d’abord testé les emballages alimentaires, avant de m’apercevoir lors de ma mission au Togo qu’il y en avait très peu ! Il faut principalement composer avec des bouteilles en Polyéthylène Téréphtalate (PET) et des produits du quotidien en Polypropylène (PP) et polyéthylène (PE). » 

 

Les déchets plastiques pourraient être une ressources pour les foyers.
(©Valentine Delbruel)

 

Mettre les compétences des laboratoires à l’épreuve du terrain
Si Valentine Delbruel sait pouvoir compter sur les expertises scientifiques de trois laboratoires (le laboratoire MatéIS sur la structure et la propriété des matériaux, le laboratoire IMP expert dans l’élaboration et la caractérisation des matériaux polymères et le laboratoire LamCoS, spécialisé dans la mécanique des contacts et des structures), il n’en reste pas moins une tâche importante pour la doctorante en sciences appliquées : s’assurer de rester au plus proche du terrain pour produire une solution utile à destination des équipes d’Handicap International et des patients. « On a testé la résistance de nos matériaux recyclés dans les conditions climatiques africaines (température, humidité et exposition UV) grâce à une chambre climatique de vieillissement accéléré présente à l’INSA Strasbourg². Dans le même temps, nous avons conçu un banc d’essai³ qui reproduit le mouvement de la marche et nous permettra d’étudier la résistance en fatigue des orthèses en sollicitations cycliques. Nous pouvons faire nos essais sur des orthèses imprimées en échelle 1 avec les mêmes imprimantes 3D utilisées par l’ONG, ce qui nous permet d’être le plus représentatif des conditions réelles. »

Tests en laboratoire par impression 3D
(©Valentine Delbruel)

 

Pour l’heure, l’ingénieure est formelle : « Il est encore difficile d’utiliser les matières issues d’usine de recyclage à cause de la présence d’impuretés. Si l’imprimabilité des matières recyclées en France est possible, la qualité des gisements d’Afrique n’est pas encore suffisante. C’est pourquoi pour ma dernière année de thèse, je m’intéresse plutôt au recyclage des chutes de plaques orthopédiques générées lors du thermoformage de prothèses ou orthèses. Il s’agit de matériaux de grande qualité qui sont actuellement jetés. En les recyclant, nous limitons l’utilisation de matières vierges et donc de ressources naturelles. Il sera alors intéressant d’étudier jusqu’à combien de cycles de recyclage la matière conserve ses propriétés mécaniques, afin d’avoir la solution la plus circulaire possible », conclut Valentine Delbruel.

La doctorante soutiendra ses travaux à la fin septembre 2024, date à laquelle elle espère pouvoir apporter le plus d’éléments possibles à l’ONG pour offrir une solution aux équipes de terrain et aux patients des zones à faibles revenus ou de guerre. 

 

 

[1] La rhéologie est un domaine de la mécanique qui étudie la résistance des matériaux aux contraintes et aux déformations.
[2] Collaboration réalisée avec Vincent Steiner de l’INSA Strasbourg
[3] Les travaux de thèse de Valentine Delbruel ont été accompagnés par deux projets de fin d’études d’élèves-ingénieurs du département Matériaux et Génie Mécanique : l’un sur la résistance en conditions climatiques d’Afrique (Hugo Lajoie) ; l’autre sur la fabrication d’un banc d’essai reproduisant le mouvement de la marche (Abderrahmane Abbassi).