Un banc d’essai spécialement dédié à la fabrication additive par une nouvelle technologie basée sur la fusion à l’arc électrique d’un fil métallique a été développé. Le procédé utilise une source de soudage à l’arc appelée Cold Metal Transfer (CMT) pour assurer la fusion contrôlée d’un fil métallique et le dépôt de gouttelettes de métal liquide, afin de produire par la superposition de cordons des pièces mécaniques. La technologie développée a été employée pour fabriquer des éprouvettes à partir d’un fil en acier faiblement alliés. L’influence des nombreux paramètres contrôlant la source de soudage à l’arc sur les mécanismes de fusion du fil et de transfert des gouttelettes de métal fondu pour former les cordons a été étudiée. Les cycles de fusion-transfert de métal liquide ont été analysés en particulier au regard des énergies générées durant chacune des phases du cycle. Cette connaissance a permis de trouver des réglages du procédé permettant d’accroître le taux de dépôt de métal en comparaison des réglages standards préenregistrés dans le microprocesseur du générateur de soudage CMT. Des murs constitués par la superposition d’un grand nombre de cordons ont ensuite été réalisés, et l’influence de l’ajout de nombreuses couches sur la géométrie des dépôts discutée. Finalement, une méthode de contrôle en ligne du procédé, basée sur le principe des cartes de contrôle, a été développée. Une étude approfondie des formes d’onde d’intensité et de tension représentatives du cycle de fusion/transfert avec le procédé CMT a permis d’identifier les caractéristiques les plus pertinentes pour détecter, à partir d’une carte de contrôle, une dérive du procédé pouvant conduire à l’apparition de défauts géométriques. / A test bench specially dedicated to additive manufacturing by a new technology based on the electric arc melting of a metallic wire has been developed. This technology uses an electric arc welding process called Cold Metal Transfer (CMT) as energy source to ensure the controlled melting of the wire and the deposition of liquid metal droplets to produce mechanical parts by superposing weld beads. The developed technology was used to make specimens from a low alloyed steel wire. The influence of the many parameters controlling the arc welding source on the mechanism of wire melting and transfer of molten metal droplets to form weld beads was studied. The melting-transfer cycles of liquid metal were analyzed in particular with special interest in the energies generated during each of the cycle phases. This knowledge has made possible to find different process settings for increasing the metal deposition rate compared to the pre-recorded standard settings in the microprocessor of the CMT welding generator. Walls consisting of the superposition of a large number of weld beads were then made, and the influence of the addition of many layers on the geometry of the deposits were discussed. Finally, a method of online control of the process, based on the principle of control charts, has been developed. A detailed study of the representative waveforms of current and voltage of the melting / transfer cycle with the CMT process has allowed to identify the most relevant characteristics for detecting, from a control chart, a deviation on the process that may lead to the appearance of geometrical defects.

Les techniques de fabrication rapide, issues des techniques de prototypage rapide comme l’impression 3D ou la découpe laser permettent de fabriquer des pièces uniques sans demander d’expertise particulière du procédé mis en œuvre. En revanche la modélisation de nouveaux objets tout comme la personnalisation d’objets existants restent difficiles. En effet, les techniques de prototypages rapides imposent des contraintes sur la géométrie du modèle qui doivent être respectées. Cette thèse présente un ensemble de techniques qui ont pour point commun d’assister l’utilisateur dans la modélisation d’un objet, en tenant compte des contraintes du procédé qui permettra de le fabriquer. À cette fin, l’algorithme prend en charge tout ou partie de la modélisation. En particulier, les problématiques suivantes sont abordées : Tout d’abord, je propose d’améliorer la qualité des objets fabriqués avec une imprimante 3D en minimisant certains défauts qui apparaissent lors de la fabrication. Les approches développées modifient uniquement les algorithmes de pilotage de l’imprimante. En second lieu, je propose d’aider l’utilisateur à prendre en compte les contraintes de fabrication pendant la modélisation. Mes techniques utilisent des informations partielles sur la forme que l’utilisateur souhaite fabriquer, comme le dessin en deux dimensions d’un mécanisme, ou un modèle paramétrique qui définit un meuble. L’algorithme optimise une forme finale qui améliore des critères liés à sa fabrication (gaspillage, encombrement, etc.). Enfin, dans certains cas (e.g. grand public) l’utilisateur n’est pas forcément à même de modéliser ces formes via des logiciels spécialisés. Pour ce cas précis, je propose une technique de synthèse de meubles à partir de spécifications fonctionnelles, e.g. la spécification de poids à porter dans l’espace / The Rapid Manufacturing techniques that emerged from Rapid Prototyping techniques such as 3D printing or laser cutting allow to fabricate unique objects. However, the design of those objects with existing CAD software remain a difficult task: rapid prototyping processes impose constraints on the geometry of the model. This thesis presents a set of techniques that assist the user in the design of an object by taking into account the constraints of the fabrication process. To achieve this, the algorithm automatically performs part of the modelling process. The following problems have been tackled: First, I propose to improve the quality of 3D printed objects by minimizing defects that appear during the fabrication. The technique developed impacts only the algorithm that drives the printer. Then, I propose to help the user to take into account the fabrication constraints during the modelling process. My techniques rely on partial information about the shape that the user wants to fabricate like the 2D sketch of a mechanism or a parametric model of a furniture. The algorithm optimizes the initial shape to improve fabrication objectives(Wastage, etc.) Finally, in some cases, the user does not know how to operate dedicated software. In this case, I propose a synthesis technique of furniture from functionnal specification, e.g. loads that have to be supported in space

Wire and Arc Additive Manufacturing is a novel Additive Manufacturing technology. As a result, the process for progressing from a solid model to manufacturing code, i.e. the Part Programming process, is undeveloped. In this report the Part Programming process, unique for Wire and Arc Additive Manufacturing, has been investigated to answer three questions; What is the Part Programming process for Wire and Arc Additive Manufacturing? What are the requirements on the Part Programming process? What software can be used for the Part Programming process? With a systematic review of publications on Wire and Arc Additive Manufacturing and related subjects, the steps of the Part Programming process and its requirements have been clarified. The Part Programming process has been used for evaluation of software solutions, resulting in multiple recommendations for implemented usage. Verification of assumptions, made by the systematic review, has been done by physical experiments to give further credibility to the results.

Le procédé de fusion sélective « lit de poudre » (SLM) permet d'élaborer des pièces métalliques bonne matière (denses) directement à partir de la fusion de couches de poudres successives. De nombreux problèmes techniques doivent encore être surmontés pour faire du SLM un processus de fabrication entièrement viable. C'est le cas de l’état de surface et de l'apparition systématique de porosités, qui nécessitent des étapes de post-traitements. Jusqu'à présent, l'origine de la porosité reste incertaine mais est supposée être liée à la stabilité du procédé. Cette thèse propose une étude originale de l'interaction laser-poudre-bain liquide sur 316L et sur deux alliages d’aluminium (5086 et 4047) avant d’étudier les conditions de densification de la matière. Le travail de cette thèse s’articule en deux parties. Dans la première partie, une étude expérimentale de l’interaction laser-matière a été effectuée sur un banc instrumenté à partir d’imagerie par caméra rapide (>10 000 images /s). Les conditions de formation des éjections métalliques, de dénudation en poudre, l’hydrodynamique des zones fondues (dont le humping) ont été caractérisées et quantifiées. Tous ces phénomènes sont liés aux fortes densités de puissance utilisées en SLM, qui favorisent le régime de keyhole et la vaporisation. La deuxième partie de ce travail de thèse a consisté à évaluer l’origine et le taux de porosités sur une machine SLM. Une formulation analytique de la densification, dépendante d’un paramètre énergétique VED, a été validée par une étude expérimentale de l’évolution du taux de porosité, quelle que soit l’épaisseur de poudre. Un premier lien a été réalisé entre les dimensions des cordons de fusion et les conditions de densification. Enfin, une forte interaction (diffusion de Rayleigh ou absorption) a été observée entre le faisceau laser incident et les nanoparticules contenues dans la colonne de vapeur métallique, à l’origine de la dispersion importante des profondeurs de fusion. / The selective laser melting (SLM) process allows to produce dense metal parts directly from the melting of successive powder layers. However, many technical issues are still to overcome for making SLM a fully viable manufacturing process. This is the case of surface finishing and the systematic occurrence of porosities, which require post machining steps. Up till now, the origin of porosities remains unclear but is expected to be related to the stability of the process. This thesis proposes an original study of the laser-powder-melt pool interaction on 316 L and on two aluminum alloys (5086 and 4047) before studying the material’s densification conditions. The work is structured in two parts. In the first part, an experimental study of the laser-matter interaction has been carried out on an instrumented SLM setup equipped with a fast camera (>10 000 images /s). The conditions of formation of metal ejections, denudation and hydrodynamics of melt pool (including humping) have been characterized and quantified. All these phenomena are related to the high power densities used in SLM, which favor keyhole regime and vaporization. The aim of the second part of this work was to characterize the origin and the porosity fraction on an SLM machine. A first correlation has been made between the dimensions of the fusion beads and the densification conditions. A strong interaction (Rayleigh scattering or absorption) has been observed between the incident laser beam and the nanoparticles contained in the metal vapor column: this interaction is responsible for the significant dispersion of melting depths.

<p>Aeronautical products additively manufactured by Selective Laser Melting (SLM), are known to have fatigue properties which are negatively impacted by porosity defects, microstructural features and residual stresses. Little research is available studying these phenomena with respect to the short fatigue crack growth (FCG) inconsistency problem, the large focus being on the long FCG. This thesis seeks to add useful knowledge to the understanding of the mechanisms for short crack growth variability in SLM manufactured Ti-6Al-4V, with the two variables for the process conditions and build directions investigated. An in-situ FCG investigation using x-ray synchrotron computed micro-tomography (μXSCT) was used to visually observe and quantify the short crack path evolution. Crack growth, deflections and porosity interactions were noted and discussed in relation to microstructure, build layer thickness and build layer orientation. A novel use of in-situ energy dispersive x-ray diffraction (EDD) was able to show the lattice strains evolving as a propagating crack moved through a small region of interest. The results presented show the ability to reliably obtain all six elastic strain tensor components, and interpret useful knowledge from a small region of interest. </p> <p> </p> <p>There are conflicting views in literature with respect to the damage tolerance behavior of as built SLM manufactured Ti-6Al-4V. In the 2018 review by Agius et al., the more prominent studies were considered with Leuders et al. showing the highest long FCG rates for cracks parallel to the build layer and Cain et al. showing cracks propagating through successive build layers as highest [1]–[3]. Cain et al. and Vilaro et al. report significant anisotropy in long FCG for different build orientations whereas Edwards and Ramulu present similar FCG behavior for three different build directions [2]–[5]. Kruth et al. concluded that for optimized build parameters without any (detectable) pores, the building direction does not play a significant role in the fracture toughness results [6]. All of the mentioned literature reported martensitic microstructures and the presence of prior grain structures for as built SLM Ti-6Al-4V.</p> <p> </p> <p>No studies to the authors knowledge have considered the short FCG of SLM manufactured Ti‑6Al‑4V and its implications to the conflicting damage tolerance behaviors reported in literature [1]. In this work small cross-sectional area (1.5 x 1.5 ) samples in two different build conditions of as built SLM Ti-6Al‑4V are studied. The short FCG rate of three different build directions was considered with cracks parallel to the build layers shown to be the most damaging. The microstructure and build layer are shown to be the likely dominant factors in the short FCG rate of as built Ti-6Al-4V. In terms of porosity, little impact to the propagating short crack was seen although there is local elastoplastic behavior around these defects which could cause toughening in the non-optimized build parameter samples tested. The fracture surfaces were examined using a Scanning Electron Microscope (SEM) with the results showing significant differences in the behavior of the two build conditions. From the microindentation hardness testing undertaken, the smooth fracture surface of the optimized sample correlated with a higher Vickers Hardness (VH) result and therefore higher strength. The non-optimized samples had a ‘rough’ fracture surface, a lower VH result and therefore strength. Furthering the knowledge of short FCG in SLM manufactured Ti-6Al-4V will have positive implications to accurately life and therefore certify additive manufactured aeronautical products.</p>

Additive manufacturing using 2 photon polymerization is of great interest as it can create nanostructures with feature sizes much below the diffraction limit. It can be called as true 3D printing as it can fabricate in 3 dimensions by moving the laser spot in any 3D pattern inside the resist. This unique property is attributed to the non-linearity of two photon absorption which makes the polymerization happen only at the focal spot of the laser beam. This method has a wide range of applications such as optics/photonics, metamaterials, metasurfaces, micromachines, microfluidics, tissue engineering and drug delivery.<br>This work focuses on utilizing 2 photon fabrication for creating a metasurface by printing diabolo antenna arrays on a glass substrate and subsequently metallizing it by coating with gold. A femtosecond laser is used along with a galvo-mirror to scan the geometry inside the photoresist to create the antenna. The structure is simulated using ANSYS HFSS to study its properties and optimize the parameters. The calculations show a reflectance dip and zero reflectance for the resonance condition of 4.04 μm. An array of antennas is fabricated using the optimized properties and coated with gold using e-beam evaporation. This array is studied using a fourier transform infrared spectrometer and polarization dependent reflectance dip to 40% is observed at 6.6 μm. The difference might be due to the small errors in fabrication. This method of 3D printing of antenna arrays and metallization by a single step of e-beam evaporation is hence proved as a viable method for creating optical metasurfaces. Areas of future research for perfecting this method include incorporating an autofocusing system, printing more complicated geometries for antennas, and achieving higher resolution using techniques like stimulated emission depletion.

Le développement récent des technologies de fabrication additive par couches (Additive Layer Manufacturing) a généré de nouvelles opportunités en termes de conception. Généralement, une étape d'optimisation topologique est réalisée pour les structures ALM. Cette tâche est aujourd'hui facilitée par des progiciels commerciaux, comme Altair OptiStruct ou Simulia TOSCA. Néanmoins, la liberté accordée par l’ALM est seulement apparente et des problèmes majeurs empêchent une exploitation complète et généralisée de cette technologie.La première lacune importante provient de l'intégration directe du résultat d'un calcul d’optimisation topologique dans un environnement CAO approprié. Quoi qu'il en soit, la géométrie optimisée résultante n'est disponible que sous une forme discrétisée, c'est-à-dire en termes d'éléments finis (FE) obtenus à la fin de l'optimisation. La frontière de la géométrie optimisée n'est pas décrite par une entité géométrique, par conséquent la topologie résultante n'est pas compatible avec les logiciels de CAO qui constituent l'environnement naturel du concepteur. Une phase de reconstruction CAO longue est nécessaire et le concepteur est obligé de prendre une quantité considérable de décisions arbitraires. Souvent la topologie CAO compatible résultante ne répond plus aux contraintes d'optimisation.La deuxième restriction majeure est liée aux exigences technologiques spécifiques à l’ALM qui doivent être intégrées directement dans la formulation du problème d'optimisation: considérer la spécificité de l’ALM uniquement comme un post-traitement de la tâche d’optimisation topologique impliquerait des modifications si importantes de la pièce que la topologie optimisée pourrait être complètement différente de la solution optimisée.Cette thèse propose une méthodologie générale pour résoudre les inconvénients mentionnés ci-dessus. Un algorithme d’optimisation topologique innovant a été développé: il vise à fournir une description de la topologie basée sur des entités NURBS et B-Spline purement géométriques, qui sont nativement CAO compatibles. Dans ce cadre, les analyses éléments finis sont utilisées uniquement pour évaluer les réponses physiques du problème étudié. En particulier, une entité géométrique NURBS / B-Spline de dimension D + 1 est utilisée pour résoudre le problème d’optimisation topologique de dimension D.L'efficacité de cette approche a été testée sur certains benchmarks 2D et 3D, issus de la littérature. L'utilisation d'entités NURBS dans la formulation de l’optimisation topologique accélère considérablement la phase de reconstruction CAO pour les structures 2D et présente un grand potentiel pour les problèmes 3D. En outre, il est prouvé que les contraintes géométriques, comme par exemple les épaisseurs minimale et maximale de matière, peuvent être efficacement et systématiquement traitées au moyen de l'approche proposée. De plus, des contraintes géométriques spéciales (non disponibles dans les outils commerciaux), par exemple le rayon de courbure local de la frontière de la phase solide, peuvent être formulées également grâce à la formulation NURBS. La robustesse de la méthodologie proposée a été testée en prenant en compte d'autres grandeurs mécaniques, telles que les charges de flambement et les fréquences naturelles liées aux modes de vibration.Enfin, malgré la nature intrinsèque de l'algorithme d’optimisation topologique basé sur les NURBS, certains outils ont été développés pour déterminer automatiquement le contour des pièces 2D sous forme de courbe et sous forme de surface dans le cadre 3D. L’identification automatique des paramètres des courbes 2D a été entièrement développée et un algorithme original a été proposé. Les principes fondamentaux de la méthode sont également discutés pour l'identification des paramètres des surfaces limites pour les pièces 3D. / The recent development of Additive Layer Manufacturing (ALM) technologies has made possible new opportunities in terms of design. Complicated shapes and topologies, resulting from dedicated optimisation processes or by the designer decisions, are nowadays attainable. Generally, a Topology Optimisation (TO) step is considered when dealing with ALM structures and today this task is facilitated by commercial software packages, like Altair OptiStruct or Simulia TOSCA. Nevertheless, the freedom granted by ALM is only apparent and there are still major issues hindering a full and widespread exploitation of this technology.The first important shortcoming comes from the integration of the result of a TO calculation into a suitable CAD environment. The optimised geometry is available only in a discretised form, i.e. in terms of Finite Elements (FE), which are retained into the computational domain at the end of the TO analysis. Therefore, the boundary of the optimised geometry is not described by a geometrical entity, hence the resulting topology is not compatible with CAD software that constitutes the natural environment for the designer. A time consuming CAD-reconstruction phase is needed and the designer is obliged to make a considerable amount of arbitrary decisions. Consequently, often the resulting CAD-compatible topology does not meet the optimisation constraints.The second major restriction is related to ALM specific technological requirements that should be integrated directly within the optimisation problem formulation and not later: considering ALM specificity only as post-treatment of the TO task would imply so deep modifications of the component that the optimised configuration would be completely overturned.This PhD thesis proposes a general methodology to overcome the aforementioned drawbacks. An innovative TO algorithm has been developed: it aims at providing a topology description based on purely geometric, intrinsically CAD-compliant entities. In this framework, NURBS and B-Spline geometric entities have been naturally considered and FE analyses are used only to evaluate the physical responses for the problem at hand. In particular, a NURBS/B-Spline geometric entity of dimension D+1 is used to solve the TO problem of dimension D. The D+1 coordinate of the NURBS/B-Spline entity is related to a pseudo-density field that is affected to the generic element stiffness matrix; according to the classical penalisation scheme employed in density-based TO methods.The effectiveness of this approach has been tested on some 2D and 3D benchmarks, taken from literature. The use of NURBS entities in the TO formulation significantly speeds up the CAD reconstruction phase for 2D structures and exhibits a great potential for 3D TO problems. Further, it is proven that geometrical constraints, like minimum and maximum length scales, can be effectively and consistently handled by means of the proposed approach. Moreover, special geometric constraints (not available in commercial tools), e.g. on the local curvature radius of the boundary, can be formulated thanks to the NURBS formulation as well. The robustness of the proposed methodology has been tested by taking into account other mechanical quantities of outstanding interest in engineering, such as buckling loads and natural frequencies.Finally, in spite of the intrinsic CAD-compliant nature of the NURBS-based TO algorithm, some support tools have been developed in order to perform the curve and surface fitting in a very general framework. The automatic curve fitting has been completely developed and an original algorithm is developed for choosing the best values of the NURBS curve parameters, both discrete and continuous. The fundamentals of the method are also discussed for the more complicated surface fitting problem and ideas/suggestions for further researches are provided.

Cette recherche vise à proposer une approche intégrée permettant la prise en compte simultanée des paramètres Produits / process dans le cadre d’une fabrication par ajout de matière. Le développement produit est en profonde mutation, prenant en compte les contraintes de personnalisation, de temps de mise sur le marché de plus en plus court, la volonté d’une approche eco-responsable etc. Ce changement de paradigme conduit à s’intéresser au choix du couple matériau /process dès la phase de conception afin de prendre en compte les contraintes liées au procédé identifié. Cette approche multi critère s’intéresse à la fois au couple matériau procédé mais prend en compte les aspect fonctionnels de la pièce. Ainsi ce travail de thèse présente une méthodologie de décision générique, basée sur des outils de prise de décision multicritères, qui peut non seulement proposer une solution satisfaisant les contraintes liées aux matériaux, processus et processus par addition de matière, mais propose également de servir de guide aux concepteurs permettant un choix raisonné basé sur des combinaisons matériau-machine orientées conception et obtenu à partir d’une base de données de 38 fournisseurs internationaux de machine de fabrication par ajout de matière. / The doctoral research focuses to build an integrated approach that can simultaneously handle the product and process parameters related to additive manufacturing (AM). Since, market dynamics of today are constantly evolving, drivers such as mass customization strategies, shorter product development cycles, a large pool of materials to choose from, abundant manufacturing processes, etc., have made it essential to choose the right compromise of materials, manufacturing processes and associated machines in early stages of design considering the Design for AM guidelines. As several criteria, material attributes and process functionality requirements are involved for decision making in the industries, the thesis introduces a generic decision methodology, based on multi-criteria decision-making tools, that can not only provide a set of compromised AM materials, processes and machines but will also act as a guideline for designers to achieve a strong foothold in the AM industry by providing practical solutions containing design oriented and feasible material-machine combinations from a database of 38 renowned AM vendors in the world today.

La fusion laser sélective d’un lit de poudres (Selective Laser Melting – SLM) connait un véritable essor depuis quelques années,notamment en ce qui concerne la production de pièces métalliques. La faible densité des alliages d’aluminium, conjuguée à l’optimisation de conception rendue possible grâce aux procédés de fabrication additive, assure un gain de masse des structures conséquent, ce qui intéresse fortement les industriels des domaines automobile et aéronautique. Cependant, les propriétés finales des pièces aluminium fabriquées par SLM dépendent des nombreux défauts sont générés lors de la fabrication (porosités, fissuration à chaud, état de surface, …). Cette thèse s’intéresse aux moyens de mieux maîtriser ces problèmes en explorant trois axes : Une identification et sélection des méthodes de caractérisations adaptées aux spécificités des matériaux métalliques élaborés par les procédés de fabrication additive « lit de poudre » a été mise en place. Par exemple, la comparaison de différentes méthodes de détermination de la densité relative de pièces nous a permis de montrer les avantages et inconvénients de chacune des techniques employées ; Une étude du moyen de fabrication SLM a mis en évidence l’influence de différents facteurs (flux de gaz, position des éprouvettes sur le plateau de construction, méthodes de dépôt de la poudre) sur les propriétés finales des pièces produites.Ces éléments ont un impact sur la densité des pièces, leurs propriétés de surface et leurs propriétés mécaniques. Nous avons ainsi constaté que la façon de positionner une pièce sur le plateau est une étape de la préparation d’une fabrication à ne pas négliger ; Les études paramétriques menées sur deux types d’alliages d’aluminium, AlSi7Mg0,6 et AM205, ont montré que la composition chimique de l’alliage d’aluminium employé influence de façon non négligeable le jeu de paramètres opératoires à appliquer pour fabriquer une pièce de manière optimale. La densité d’énergie volumique ψ, rapport de la puissance laser avec le produit de la vitesse de lasage, de la distance inter-cordons et de l’épaisseur de couche, est utilisée de façon classique pour l’optimisation des conditions opératoires en SLM. Nos études expérimentales à différentes échelles (1D et3D) ont permis de mettre en évidence les limites de ce critère. La combinaison de ces résultats à la simulation numérique du lasage d’un cordon de poudre a servi de base à la définition d’un premier modèle dont l’objectif sera à terme d’optimiser le choix des paramètres de fabrication. / Interest in selective laser melting (SLM) has been growing in recent years, particularly with regard to the production of metal parts.The low density of aluminum alloys, combined with the possible design optimization enabled by additive manufacturing processes,ensures a significant decrease in the mass of structures which is very interesting for manufacturers in the automotive and aerospaceindustries. However, it is difficult to control the final properties of aluminum parts manufactured by SLM because many defects, suchas porosity, hot cracking, and surface roughness, are generated during the process. To better understand how to optimize theperformance of SLM aluminium parts, several studies were conducted during this work: An identification and selection of characterization methods well-adapted to the specificities of metallic materials developedby powder bed additive manufacturing processes was established. For instance, the comparison of different methods ofdetermining the relative density of parts showed the advantages and disadvantages of each of the techniques; A study of the SLM machine highlighted the influence of various factors (gas flow, positions of specimens on the constructionplate, or methods of depositing the powder) on the final properties of the produced parts. These elements have an impacton the density of the parts, their surface properties, and their mechanical properties. We found that the positioning of a pieceon the tray is a critical step in the preparation of a build that is not to be neglected; Parametric studies carried out on two types of aluminum alloys—AlSi7Mg0,6 and AM205—have shown that the chemicalcomposition of the aluminum alloy used has a significant influence on the set of operating parameters required tomanufacture an acceptable aluminum alloy part. The energy density, ψ, which is the ratio of the laser power to the productof the lasing speed, the hatching distance, and the layer thickness, is conventionally used for the optimization of the operatingconditions in SLM. Our experimental studies performed at different scales (1D and 3D) have shown the limits of this criterion.The combination of these results with the numerical simulation of the lasing of a single powder bead served as a basis forthe definition of an initial model, the final objective of which will be to optimize the choice of manufacturing parameters.

Les procédés de fabrication additive sont en pleine essor ces dernières années. De nombreux industriels cherchent à évaluer leur potentiel et leurs avantages. Ces nouvelles technologies impliquent des changements au niveau des manières de fabriquer mais également au niveau des manières de concevoir. Ce travail de thèse s’est intéressé à ce second aspect et apporte plus particulièrement des réponses à la question de recherche suivante :Quel guide méthodologique suivre pour une étude dont le but est de reconcevoir des pièces afin de s’approcher de l’optimum en termes de masse ?Pour traiter cette question, le problème a été abordé au regard de plusieurs questions sous-jacentes afin de combler les manques identifiés dans l’état de l’art réalisé que ce soit sur les problématiques du paramétrage de l’optimisation topologique ou sur celles des techniques de reconstruction. Nous avons réalisé plusieurs études de cas afin de pouvoir répondre à ces différentes questions et pouvoir ainsi lister les points critiques. Ce travail de thèse a été réalisé en partenariat avec un acteur de l’aéronautique : Zodiac Seats France. Ceci nous a permis de réaliser des études de cas sur des pièces existantes qui possédaient un certain niveau de complexité. Parmi ces études de cas, nous avons distingué deux types d’étude :- Une étude élémentaire pour effectuer des boucles rapides en faisant varier les choix et- Une série d’études industrielles pour regarder s’il y a convergence ou divergence entre les conclusions de l’étude élémentaire et des cas d’applications plus complexes.Puis, nous avons donné une description détaillée d’une méthode de conception pour la fabrication additive basée sur 5 grandes phases :- l’évaluation de la pièce candidate ou des pièces,- la modélisation,- l’optimisation topologique : obtention d’une forme de géométrie,- la reconstruction de la pièce à partir du résultat de l’optimisation topologique et intégration des contraintes de fabrication- l’optimisation dimensionnelle : affiner les dimensions de la géométrie reconstruite.A ces phases, viennent s’ajouter des étapes de contrôle via des analyses éléments finis. Cette démarche s’est construite autour d’observations faites lors du déroulement des études de cas. Pour chacune de ces phases, un ensemble de recommandations a été défini pour aider le concepteur dans l’obtention d’une pièce optimale en termes de masse. Enfin, nous avons donné ce descriptif de la méthode à un concepteur relativement novice pour avoir un nouveau regard sur celle-ci et pouvoir ainsi identifier des points à améliorer. A l’issue de ce travail de conception, ce concepteur a pointé plusieurs points manquants ainsi que plusieurs faiblesses dans l’argumentaire du guide méthodologique. Ses observations et son opinion, nous ont permis de prendre du recul vis-à-vis de notre travail.Les apports majeurs de ce travail de thèse sont :- La description détaillée d’une méthode composée de 5 grandes phases- Dans cette démarche, nous avons dénombré plusieurs étapes clés : une étape préliminaire d’évaluation du potentiel des pièces à reconcevoir au regard de la fabrication additive et plusieurs phases d’optimisation complémentaires (topologie et dimensions),- La mise en avant de l’importance de bien délimiter le périmètre de l’étude (pièce isolée ou dans le mécanisme),- L’identification des étapes au cours desquelles les contraintes de fabrication devront être intégrées- Le positionnement du concepteur au cœur de la méthode : les outils numériques permettent de ne réaliser qu’une partie du travail de conception. / Additive manufacturing processes have been growing in recent years. Many industries seek to assess their potentials. These new technologies involve changes in terms of manufacturing but also in terms of designing. This work is interested in this second aspect. It brings answers to the following research question:What methodological guide to follow for a study whose goal is to redesign pieces in order to approach the optimum in terms of mass?To answer to this question, the problem is decomposed into several sub questions. These questions must fill the identified lacks in the state of the art, and deal with topological optimization parameters or reconstructions techniques for example. Several case studies are realized to answer to these sub questions and to list the critical points. This work is realized in partnership with an aerospace company: Zodiac Seats France. This allowed us to work on existing parts which have a certain complexity level. Two types of studies can be distinguished:- Basic study: to experiment different strategies and to make variation on the parameter choices rapidly.- Practical study: to check on more complex cases if there is a convergence with basic study conclusions.Then, a detailed description of a design method for additive manufacturing is provided. It is composed in 5 phases:- Evaluation of parts potential.- Model of parts.- Optimization of parts with topological optimization tools: obtaining the shape of the parts.- Reconstruction of parts from the topological result: integration of manufacturing constraints.- Optimization of reconstructed parts with dimensional optimization tools: refinement of the dimensions of reconstructed parts.Between these phases, checked step are added, based on finite element analysis. This method is built on practical observations obtained from the different case studies. For each phase, a set of recommendations is provided to help designers to design lightweight parts. Finally, this descriptive method is given to a novice designer to have the method tested. The aim of this test is having a new vision on this detailed method and identifying points to be improved. At the achievement of this design work, the designer noticed several missing points as well as several weaknesses in the method argument. His observations and his opinions gave us to take a step back from our work.The major contributions of this work are:- The description of a detailed method in 5 large phases.- In this method, there are several key steps : 1 step of evaluation of parts potential with regard to additive manufacturing as well as two complementary steps of optimization (shape and dimensions)- The perimeter of the parts study must be delimited clearly (isolated parts or in the mechanism),- The identification of the stages in which the manufacturing constraints have to be integrated- The position of the designer to the method heart: digital tools realize only one part of the design work.