Résumé :
La recherche de nouveaux matériaux à la fois légers et résistants mécaniquement est un enjeu majeur dans le contexte de la réduction des émissions de gaz à effet de serre, en particulier dans le domaine du transport. L’émergence récente de la fabrication additive a ouvert une nouvelle voie pour le design et la fabrication de nouveaux matériaux. En autorisant une plus grande liberté sur l’arrangement de la matière, cette technologie a notamment donné naissance aux micro-lattices (2011), soit un arrangement judicieusement choisi de micropoutres creuses encastrées. En allégeant ainsi l’ensemble de la structure grâce à une très grande porosité structurelle il est possible d’atteindre des densités relatives de l’ordre de 0.1% (proches de celles des aérogels) tout en offrant une rigidité de plusieurs ordres de grandeur supérieure aux matériaux de densité équivalentes.
Cette thèse s’inscrit dans ce sillage en se proposant d’étudier l’effet du désordre architectural sur les propriétés mécaniques de réseaux de poutres. Elle est divisée en deux parties reposant sur une approche par modélisation numérique complétée par des expériences sur échantillons 3D-imprimés. Dans la première partie, nous présentons l’effet du désordre sur l’élasticité des microtreillis. En particulier nous mettons en évidence dans un modèle simple de réseaux de poutres 2D que le désordre introduit graduellement dégrade à la marge les propriétés élastiques des réseaux rigides (dominés par une réponse en traction/compression). Tirant parti de ces premiers résultats, nous proposons une autre voie pour créer des microtreillis 3D désordonnés, rigides et isotropes et montrons que notre architecture atteint un optimum en terme de ratio rigidité sur densité. Enfin le modèle numérique développé nous permet d’explorer des architectures plus exotiques, basées sur la prédiction/optimisation de treillis 2D via des algorithmes de machine learning.
La seconde partie s’intéresse aux propriétés de fracture en tension et en compression. En premier lieu, l’effet du désordre dans des réseaux 2D est de produire une grande variabilité statistique intra-échantillon sur la ténacité calculée en utilisant le cadre de la mécanique linéaire élastique de la rupture. Les simulations numériques permettent de caractériser que le microtreillis 3D amorphe et optimal précédemment obtenu est jusqu’à 25% plus tenace que la référence 3D périodique et rigide (« octet-truss ») à la même densité. Finalement, une étude portant sur les propriétés de résistance à la fracture en compression vient compléter ce travail, en montrant en particulier que l’effet du désordre sur des réseaux initialement périodiques est bénéfique à faible densité d’une part et que le réseau 3D amorphe et l’octet-truss présentent des limites élastiques très proches dominée par le flambage de leurs éléments d’autre part.
SPEC/SPHYNX