Développement d'encres fonctionnelles pour l'in-Mold Electronicc

Doctorant : Thomas GUÉRIN

Laboratoire INSA : AMPERE

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

Cette thèse explore le domaine émergent de la plastronique 3D, qui combine l’électronique et la plasturgie pour intégrer des circuits électroniques sur des substrats 3D en polymère. Le travail se concentre sur le développement d’encres conductrices pour le procédé In-Mold Electronics (IME), une technique prometteuse pour la production en grand volume de dispositifs plastroniques, notamment pour les interfaces homme-machine.

Le processus IME comprend plusieurs étapes : l’impression de pistes conductrices sur un film mince de polycarbonate à l’aide d’encre conductrice, le transfert des composants électroniques sur le film et leur connexion au circuit par collage, le thermoformage du film en 3D et le surmoulage 3D par injection de thermoplastique.

La thèse étudie différentes formulations d’encres conductrices, en se concentrant sur celles composées d’une matrice polymérique organique contenant des charges métalliques micrométriques, avec l’argent comme conducteur électrique. Des encres à base de matériaux organiques issus de la pétrochimie ont été élaborées.

Deux encres se sont démarquées : l’encre N°1 (Vinnol H30/48M) avec une faible résistivité mais peu thermoformable, et l’encre N°2 (TPU 4878 NT1) avec des performances satisfaisantes en résistivité et thermoformage.

En parallèle, des encres conductrices biosourcées ont été formulées, dont l’encre N°3 (PLA-CY-804) avec une faible résistivité et l’encre N°4 (PLA-CY-212) avec de bonnes performances en résistivité et thermoformage. L’encre N°4 se distingue par son respect de l’environnement.

Cependant, des limitations subsistent, notamment des problèmes de délamination et de rupture des pistes conductrices lors du thermoformage, ainsi que le détachement des composants électroniques lors de l’étape d’injection. Ces contraintes géométriques liées au 3D ont été étudiées, mais certaines encres n’ont pas encore été testées jusqu’à la réalisation d’un démonstrateur.

 

Methodology for the robust design of air bleed systems in aeronautics

Doctorant : Gabriel DE CARVALHO FERREIRA SILVA

Laboratoire INSA : AMPERE

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

At the design stage, product engineers try to find the perfect balance between the physical parameters of the components and the performance required to properly design a system. It is therefore very important to understand how the choice of physical parameters at the design stage will impact the dynamic behavior of the final product. The problem requires skills in modeling complex multi-physics systems and control theory.
This work investigates the air bleed system of aircraft in collaboration with Liebherr Aerospace Toulouse. Although the structure of each valve and the arrangement of valves in the air bleed system are well known, the parameters that critically impact performance are difficult to identify. Due to the complexity of the model required to reproduce the behavior of valves, its non-linearity and the high degree of coupling between parameters, existing tools quickly show their limits. That is why the aim of the work presented in this thesis is to propose a new methodology that closely address the dynamic aspects of these valves from the design stage and provide a relevant evaluation of their dynamic performance in relation with the design requirements. This new methodology is presented and described from its theoretical concepts to its application to practical problems; it is based on a specific modeling step followed by a numerically solved stability condition, which is formulated as a constrained optimization based on linear matrix inequalities (LMI). The main originality of this work is based on the use of optimization tools to find, not an optimal parameter value, but the admissible ranges for a set of parameters which guarantee the required dynamic behavior.

 

23/10/2024 à 21h (CEST) / 24/10/2024 à 6h (AEDT)

Doctorant : Alexandru TECHERES

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

The strengthening of Al alloys via Sc and Zr has been well documented in the literature. The formation of L12 Al3Sc and Al3Zr leads to improvements of mechanical properties through formation of precipitates during artificial ageing. However, the scarcity and cost of Sc have always been a challenge towards adoption on an industrial scale. Nonetheless, new mineral deposits discovered in Australia, together with novel processing methods create the expectation that the price of Sc will become more accessible.
In the context of a circular economy, recycling is the norm. However, this introduces impurities in the recycled material which originate from the imperfect sorting of scraps. The precipitation kinetics of Al3Sc in high purity, controlled composition Al alloys is well understood. However, the precipitation process in the presence of impurities such as Fe and Si has not been studied.
Therefore, the problematic of the current thesis focuses of the effect of impurities on the precipitation kinetics in Al-Sc-Zr during artificial ageing at various temperatures. Previous reports in the literature indicate an accelerating effect of Si and there are limited reports on the effect of Fe.
Using a combinatorial method, in this work we investigate the effect of Si on the precipitation kinetics via samples with a macroscopic composition gradient (also called diffusion couples). Additionally, two sets of samples are investigated with different Fe concentration to comparatively study the effect of Fe. The precipitation kinetics is observed indirectly via small angle x-ray scattering (SAXS) and hardness measurements across the samples with macroscopic composition gradient. Furthermore, advanced characterisation techniques such as Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron Microscopy and Atom Probe Tomography are employed to analyse conditions determined as critical during the ageing.
A strong acceleration effect was observed, with increased Si, agreeing with previous reports. However, a saturation effect was identified, which seems to depend on the ageing temperature. This is discussed as a function of Si-vacancy interaction in the precipitation of Al3Sc. Modelling in a Kampmann-Wagner Numerical framework was performed assuming various numbers of heterogenous nucleation sites. To match experimental results, it was required to increase the diffusion coefficient of Sc in the presence of Si, further highlighting the acceleration effect.
It was identified via TEM and APT that the presence of Si leads to smaller mean radius and larger volume fraction of precipitates, which promote larger increments of the mechanical properties. Furthermore, it was observed that Si replaces Al in the structure of the precipitates and that the concentration of Si in the precipitates increases with the concentration in the solid solution.
Finally, it was observed that Fe can replace Al in the precipitates too. Moreover, in the presence of Fe, Si is found in higher concentrations inside the precipitate than when Fe is virtually absent. However, only a minimal difference is observed in terms of hardening between the alloys with different Fe content and only early in the ageing process. Analytical strengthening calculations seem to predict well the hardening in a Fe-free alloy but poorly in the Fe-rich one. This indirectly suggests that Fe has an effect on the precipitation kinetics, but more investigations are needed to fully understand the effect of Fe on precipitation in these alloys.

 

Eco-design and processing of polymer composites towards the shielding of EMI by absorption: Processing, structure, and properties relationship

Doctorante : Emna MASGHOUNI

Laboratoire INSA : IMP

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

 

Thermodynamic and kinetic control of liquid metal dealloying for the design of porous metallic powders

Doctorant : Louis LESAGE

Laboratoire INSA : MATEIS
Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

Metallic powders are becoming increasingly widespread due to their use in additive manufacturing processes and as catalytic materials. In this context, it is appealing to develop processes that enable the formation of open porosities in metallic powders to modify their mechanical properties and increase their specific surface area. We propose using liquid metal dealloying (LMD) to create porous powders with modified microstructures and properties. LMD is a novel technique that involves the selective dissolution of an alloying element from a precursor in a liquid metal solvent. This results in the formation of a continuous ligament structure and open porosity in the dealloyed layer.
By mixing precursor and solvent powders and heating them above the melting temperature of the solvent, we successfully dealloyed FeNi and NiCu precursor powders. This process led to either fully porous or partially porous microstructures featuring core- shell morphologies. To better understand the kinetics of the dealloying process and the resulting microstructure, we developed a diffusion model based on thermodynamic principles and successfully compared it with experimental results obtained from NiCu alloys immersed in liquid Ag. Additionally, we used in situ X-ray diffraction to monitor the phase transformations occurring during the dealloying of FeNi particles by Mg. This combination of experimental and simulation work demonstrates how dealloyed structures are controlled by equilibrium thermodynamics and/or the kinetics of the dealloying reaction. Our results highlight the potential of LMD to design dealloyed powders with tailored dealloyed fractions, ligament sizes, compositions, and microstructures. Finally, we propose using compression tests applied to powders to assess their suitability for applications in cold spray.

Multi-criteria decision making for sustainable engineering systems

Doctorant : Majid BASEER

Laboratoire INSA : CETHIL UMR5008

École doctorale : ED162 MEGA

The trend towards sustainability in the building sector is gaining momentum, driven by environmental regulations and societal will. Although new building projects adhere to established standards, they replace only 1-3% of existing buildings annually. Renovation projects often present challenges such as the presence of uncertain data, varied stakeholder’s interests, and complex sustainability factors. To address these limitations, this thesis aims to integrate uncertainty into the decision-making process. The thesis develops a multi-criteria decision-making (MCDM) framework based on sustainability factors encompassing economic, environmental, social, and technical aspects for energy renovation of existing buildings. In contrast to existing deterministic MCDM methods, this framework incorporates uncertain data, yielding more realistic outcomes. A review of established MCDM methods was conducted, followed by a SWOT analysis to select a suitable method for the research problem. The application of MCDM methods in building energy renovations was examined to understand sustainability factors comprehensively. To address uncertainty, probability distribution and Monte Carlo simulation are integrated with MCDM methods. These tools represent uncertainty, simulate decision-making, and handle ambiguity. The novel MCDM framework, probabilistic ELECTRE Tri, has been developed based on the ELECTRE Tri method, probability distribution, revised Simos method, and Monte Carlo simulation. This framework was specifically developed for the classification of scenarios for building energy renovation. It was validated through a case study of a social housing project in Lyon, France. The results from the probabilistic ELECTRE Tri method were compared with those from ELECTRE Tri, underscoring the significance of incorporating uncertainty in decision-making. The developed framework enhances transparency, adaptability, flexibility, and user understanding, benefiting stakeholders. It is generic and can improve the objectivity and consistency of decision- making. Additionally, it advances sustainable building renovation and aligns with global environmental and energy efficiency goals. Keywords: multi-criteria decision making, ELECTRE Tri, uncertainty, probability distribution, energy renovation, sustainability.

« Identification par radioscopie X et thermographie in-situ du bain de fusion lors de la fabrication additive d'une pièce métallique »

Doctorant : Loïc JEGOU

Laboratoire INSA : LaMCos

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

Les promesses des procédés de fabrication additive de pièces métalliques sont nombreuses : concevoir des géométries complexes, maîtriser les propriétés mécaniques, réduire la quantité de matière première nécessaire... Pourtant, les technologies additives par laser ont encore aujourd'hui bien du mal à s'imposer dans le domaine industriel.
La stabilité du bain de fusion, la zone fondue par le laser où se déroule l’apport de matière, est un élément critique de la maîtrise de ces procédés.
Les travaux de thèse ont porté sur la surveillance du bain de deux façons différentes. D’abord à l’aide d’une caméra RGB pour effectuer des mesures thermiques en surface du bain grâce à la méthode bichromatique. Puis ensuite via la mise en place d’un dispositif expérimental mobile pour effectuer du contrôle par rayons X. L’utilisation d’auto- encoders, un type de réseau de neurones pour l’analyse d’images, a permis d’identifier le bain de fusion sur les radioscopies.
 

« Méthode d’aide au déploiement du système cyber-physique flexible et reconfigurable dans le contexte de l’industrie 4.0 »

Doctorant : Anthony CHEHAMI

Laboratoire INSA : LIRIS

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

Cette thèse s'inscrit dans un contexte industriel en perpétuelle évolution, caractérisé par l'émergence de l'Industrie 4.0. Elle prend pour cadre l'usine FPT de Bourbon-Lancy (FPT-BLY), spécialisée dans la production de moteurs lourds pour véhicules. Face au défi d'intégrer le nouveau moteur XC13 dans des lignes de production existantes tout en maintenant la fabrication de produits actuels. Ce cas d’étude illustre l'importance de la flexibilité et de la reconfigurabilité industrielles pour maintenir la compétitivité.
L'objectif principal de cette recherche est de développer une méthode optimale pour implémenter des systèmes de production flexibles et reconfigurables, en réponse aux défis de l'Industrie 4.0. En effet, cette révolution industrielle apporte de nouvelles méthodologies rendues possibles par les technologies avancées. La thèse se concentre sur les piliers 4.0 concernant la capacité d'auto- ajustement et d'auto-configuration du système, qui requièrent une flexibilité importante pour être efficaces et opérationnelles.
Les contributions de cette thèse s'articulent autour de l'identification, la mesure et l'optimisation de la flexibilité dans les systèmes de production. Nous avons identifié et proposé des méthodes originales de mesure individuelles pour évaluer les différents types de flexibilité et a également développé une méthode pour mesurer l'interdépendance entre ces types de flexibilité. L'objectif est d'obtenir une valeur agrégée des différentes flexibilités, afin de faciliter la prescription d’une décision optimale en cas de reconfiguration du système. Enfin, nous avons développé un modèle d’optimisation mathématique permettant d’identifier la meilleure solution d’investissement afin d’atteindre le niveau de flexibilité approprié, et de ce fait, déterminer la feuille de route de déploiement de la flexibilité. Nous avons dû explorer une grande quantité de données et d'informations de l’entreprise pour la partie expérimentation et validation de ces modèles proposés. Enfin, l'ensemble de ces propositions ont été appliqué à l'usine FPT-BLY, dans le cadre de l'intégration du nouveau moteur XC13.

 

Pilotage d'une chaîne de conversion active et Analyse de Cycle de Vie pour le petit éolien

Doctorant : Adrien PREVOST

Laboratoire INSA : AMPERE

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

Cette thèse porte sur l’étude d’une chaîne de conversion active pour le petit éolien. Dans sa configuration initiale, l’éolienne étudiée est équipée d’une génératrice synchrone à aimants permanents raccordée à une batterie via un redresseur à diodes. Dans ce travail, nous proposons une modification du système visant à augmenter son efficacité : remplacer le redresseur à diodes par un redresseur actif, tout en questionnant les impacts environnementaux et sociétaux de cette modification. Dans la première phase du travail, nous avons réalisé un banc d’essais permettant d’émuler le comportement de l’éolienne, afin d’évaluer sa performance en conditions stationnaires et dynamiques. Nous avons ensuite modélisé le système génératrice-convertisseur dans le but de proposer une loi de commande. Pour ce faire, nous avons établi puis validé expérimentalement un modèle réluctant et un modèle par éléments finis de la génératrice. Nous avons ensuite proposé une loi de commande du système avec un redresseur actif qui a montré des gains de performance significatifs en comparaison avec la configuration classique de redresseur à diodes. Nous avons notamment montré que la stratégie pouvait se passer de capteur mécanique de position grâce à un observateur tout en étant robuste aux incertitudes du modèle. Du point de vue environnemental, une Analyse de Cycle de Vie (ACV) du système a montré que les parties les plus impactantes étaient la structure du mât et les batteries. Nous avons proposé un cadre de pensée unifié pour considérer l’optimisation technico-environnementale du système. Enfin, nous avons étudié la communauté du petit éolien auto-construit en France pour comprendre quel effet pourrait avoir l'introduction d'un redresseur actif sur l'appropriation de l'éolienne.

 

 

 

 

Méthodologie de caractérisation socio-organisationnelle des adresses IPs appliquée à la sécurité

Doctorante : Mme Camille MORIOT

Laboratoire INSA : CITI

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

Internet est un système clé dans la société contemporaine. Il s'agit d'un système complexe réparti entre de nombreuses organisations ayant une variété de rôles et d'intérêts. Depuis leur création, les cyberattaques sont devenues des actifs précieux, car elles donnent aux rivaux des avantages, par exemple dans les domaines politique ou économique. Il est nécessaire d'analyser ces attaques, d'identifier leurs singularités et les mécanismes sur lesquels elles s'appuient afin de les contrer. Cela permettra d'établir des signatures plus précises et plus pertinentes et aidera la conception des contre-mesures. Un des aspects d'analyse des attaques sont les infrastructures utilisées par les attaquants pour générer les attaques. De nombreux outils aujourd'hui permettent de caractériser l'aspect technique des machines qui composent ces infrastructures. Mais comme les attaques ont lieu dans un environnement social, politique, économique et organisationnel, nous revendiquons qu'il est nécessaire d'évaluer ces machines d'un point de vue organisationnel. 

Cette thèse propose une méthodologie originale de catégorisation des adresses IP, à l'aide de 6 étiquettes décrivant deux axes : un axe technologique et un axe organisationnel. Nous proposons également un outil d'investigation, IPSeen, qui implémente cette méthodologie, en affectant les étiquettes aux adresses IP. Il s'appuie sur différentes sources de données : Wikidata, RDAP, Onyphe, GeoIPLite. Deux versions d'IPSeen sont proposées et évaluées dans ce manuscrit. Ces deux versions se différencient par leur rapidité et leur niveau de précision. 

Enfin, nous appliquons notre méthodologie à un ensemble de données réelles de suivi d'infrastructure de type command and control. L'analyse produite propose une description des infrastructures des organisations qui maintiennent les machines participant aux infrastructures d'attaques. Nous montrons que notre approche apporte un éclairage essentiel sur la compréhension des attaques, en complément des nombreuses caractérisations techniques par ailleurs disponibles.