Soutenance de thèse de CADORET Nicolas
Titre de thèse
Allègement de pièces mécaniques sollicitées en fatigue : contributions au développement de méthodes bio-inspirées des os
Lightweighting for fatigue-loaded mechanical parts: contributions to the development of bone bio-inspired methods
Résumé de la thèse
L'allègement de pièce mécaniques fait partie des grands défis rencontrés par les bureaux d'étude en mécanique, en particulier ces dernières années avec l'augmentation des considérations environnementales et la prise en compte de l'impact des activités humaines. Dans ce contexte, les matériaux naturels semble être une source d'inspiration intéressante car ils sont performants malgré leur composition chimique simple. L'os trabéculaire en particulier est très étudié dans la littérature.
Cette thèse est une contribution au développement de méthodes bio-inspirées des os pour l'allègement de pièces mécaniques sollicitées en fatigue.
Premièrement, une relation forme-fonction de l'os trabéculaire est établie à partir d'une analyse de la littérature et validée à partir d'un modèle animal : l'humérus de cheval. Deuxièmement, une méthode d'allègement bio-inspirée de la relation forme-fonction trabéculaire est proposée. A masse égale, une poutre de flexion 3 points allégée avec cette méthode permet de doubler la raideur par rapport à une méthode d'allègement de la littérrature. Pour finir, les contraintes de fabrication imposées par l'impression par fusion de poudres métalliques sont intégrées et une méthode d'allègement bio-inspirée dépoudrable est développée et appliquée à un démonstrateur de pièce d'hélicoptère comme « preuve de concept » industrielle.
A l'issue de ces travaux, il semble qu'il existe un fort potentiel pour les méthodes d'allègement bio-inspirées de l'architecture trabéculaire pour des pièces mécaniques sollicitées en fatigue. Certaines pistes de recherches potentielles sont évoquées pour exploiter au maximum le potentiel de ces méthodes d'allègement.
Thesis resume
Lightweighting mechanical parts is one of the major challenges faced by mechanical design offices, particularly in recent years with increased considerations for the environment and the impact of human activities. In this context, natural materials seem to be an interesting inspiration source because they present high performance despite their simple chemical composition. Trabecular bone, in particular, has been extensively studied in the literature.
This thesis is a contribution to the development of bone bio-inspired methods for lightweighting of mechanical parts subjected to fatigue loading.
Firstly, a form-function relationship for trabecular bone is established based on an analysis of the literature and validated using an animal model: the horse humerus. Secondly, a bio-inspired lightweighting method based on the trabecular form-function relationship is proposed. At equal mass, a 3-point bending beam lightweighted using this method achieves double the stiffness than another lightweighting method from the literature. Next, manufacturing constraints imposed by metal powder fusion printing are integrated, and a depowderable bio-inspired lightweighting method was developed and applied to a helicopter part demonstrator as an industrial ‘proof of concept'.
At the end of this work, it seems that there is a strong potential for trabecular architecture-inspired lightweighting methods for mechanical parts subjected to fatigue stress. A number of potential avenues of research are suggested for exploiting the full potential of these lightweighting methods.