Soutenance de thèse de CHIMIENTI Matteo
Titre de thèse
Design de voilures architecturées fabriquées par impression 3D composite à fibres continues - Application au cas des ailes de drones
Design of Architectured Wings Manufactured by Continuous Fiber Composite 3D Printing – Application to Drone Wings
Résumé de la thèse
L'impression 3D représente une opportunité extraordinaire pour repenser toutes les structures qui nous entourent, en particulier dans le secteur aéronautique, comme pour les ailes d'avion. Les avantages sont nombreux, allant de l'utilisation directe de l'optimisation topologique à l'intégration de fonctionnalités avancées, telles que le morphing. Cependant, la fabrication additive conventionnelle à base de polymères présente des performances mécaniques limitées, ce qui restreint son application aux structures soumises à de faibles charges. Les ailes modernes, généralement fabriquées à partir de stratifiés carbone/époxy, ne peuvent donc pas être directement remplacées par des matériaux purement plastiques. Ces dernières années, l'introduction d'imprimantes 3D « composites » capables de déposer des fibres de carbone continues (par exemple, Anisoprint) a permis de combiner les avantages de la fabrication additive avec les excellentes propriétés mécaniques des renforts en fibres continues. Dans ce contexte, la présente recherche doctorale, menée en collaboration avec le LMA (Marseille) et le CREA (École de l'Air) et financée par l'AID-DGA, poursuit un double objectif : proposer un nouveau concept de longeron d'aile basé sur des techniques innovantes d'impression 3D composite, et définir des lignes directrices pour la conception d'une aile de drone de taille moyenne (2,4 m d'envergure). Pour atteindre ces objectifs, plusieurs étapes ont été mises en œuvre. Le premier travail concerne la caractérisation des matériaux composites imprimés. Les propriétés de ces matériaux en traction semblent être très bonnes. Cependant, un des points clés sera l'étude de ce matériau en compression, car la fabrication additive risque d'introduire des défauts. L'étude des propriétés en compression a été réalisée à l'aide d'essais de flexion sur sandwich. En suite, sur la base des spécifications de l'aile, un premier élément représentatif non optimisé de l'aile a été développé, puis affiné à l'aide d'un modèle d'optimisation numérique visant à réduire le coût et la masse totale tout en respectant les contraintes de rigidité et de résistance définies lors de la phase de caractérisation des matériaux. Enfin, le prototype optimisé a été fabriqué et testé dans le cadre d'un essai à grande échelle sous la charge critique correspondant à un facteur de charge de 3,75.
Thesis resume
3D printing offers a remarkable opportunity to rethink structural design, particularly in the aeronautical sector, such as for aircraft wings. The advantages are numerous, ranging from the direct use of topology optimization to the integration of advanced functionalities, such as morphing. However, conventional polymer-based additive manufacturing exhibits limited mechanical performance, restricting its application to lightly loaded structures. Modern wings, typically made from carbon/epoxy laminates, therefore cannot be directly replaced by purely plastic materials. In recent years, the introduction of ``composite'' 3D printers capable of depositing continuous carbon fibers (e.g., Anisoprint) has made it possible to combine the benefits of additive manufacturing with the excellent mechanical properties of continuous fiber reinforcements. In this context, the present doctoral research, carried out in collaboration with LMA (Marseille) and CREA (École de l'Air) and funded by AID-DGA, pursues a dual objective: to propose a new wing spar concept based on innovative composite 3D printing techniques, and to define design guidelines for a medium-sized UAV wing (2.4~m wingspan). The research was conducted in several phases. First, the mechanical properties of the printed materials were experimentally characterized in tension and compression through unidirectional and sandwich bending tests. Based on the wing specifications, a first non-optimized representative element of the wing was developed, and subsequently refined through a numerical optimization model aimed at reducing cost and total mass while satisfying the stiffness and strength constraints defined during the material characterization phase. Finally, the optimized prototype was manufactured using composite 3D printing and tested in a full-scale test. Under the critical load corresponding to a load factor of 3.75, the wing operated well within the structural safety margins, thereby validating the proposed concept.