abstract: Electrostatic Discharge (ESD) is a unique issue in the electronics industry that can cause failures of electrical components and complete electronic systems. There is an entire industry that is focused on developing ESD compliant tooling using traditional manufacturing methods. This research work evaluates the feasibility to fabricate a PEEK-Carbon Nanotube composite filament for Fused Filament Fabrication (FFF) Additive Manufacturing that is ESD compliant. In addition, it demonstrates that the FFF process can be used to print tools with the required accuracy, ESD compliance and mechanical properties necessary for the electronics industry at a low rate production level. Current Additive Manufacturing technology can print high temperature polymers, such as PEEK, with the required mechanical properties but they are not ESD compliant and require post processing to create a product that is. There has been some research conducted using mixed multi-wall and single wall carbon nanotubes in a PEEK polymers, which improves mechanical properties while reducing bulk resistance to the levels required to be ESD compliant. This previous research has been used to develop a PEEK-CNT polymer matrix for the Fused Filament Fabrication additive manufacturing process / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Engineering 2020

Microfluidics miniaturizes many benchtop processes and provides advantages of low cost, reduced reagent usage, process integration, and faster analyses. Microfluidic devices have been fabricated from a wide variety of materials and methods for many applications. This dissertation describes four such examples, each employing different features and fabrication methods or materials in order to achieve their respective goals. In the first example of microfluidic applications in this dissertation, thermoplastics are hot embossed to form t-shaped channels for microchip electrophoresis. These devices are used to separate six preterm birth (PTB) biomarkers and establish a limit of detection for each. The next chapter describes 3D printed devices with reversed-phase monoliths for solid-phase extraction and on-chip fluorescent labeling of PTB biomarkers. I demonstrate the optimization of the monolith and selective retention of nine PTB biomarkers, the first microchip study to perform an analysis on this entire panel. The third project describes the iterative design and fabrication of glass/polydimethylsiloxane (PDMS) devices with gold and nickel electrodes for the self-assembly of DNA nanotubes for site-selective placement of nanowires. Simple flow channels and “patch electrode” devices were successfully used, and DNA seeding was achieved on gold electrodes. Finally, a 3D printed device for cancer drug screening was developed as a replacement for one previously fabricated in PDMS. Devices of increasing complexity were fabricated, and those tested found to give good control over fluid flow for multiple inlets and valves. Although the applications and methods of these projects are varied, the work in this dissertation demonstrates the potential of microfluidics in several fields, particularly for diagnostics, therapeutics, and nanoelectronics. Furthermore, it demonstrates the importance of applying appropriate tools to each problem to gain specific advantages. Each of the described devices has the potential for increased complexity and integration, which further emphasizes the advantages of miniaturized analyses and the potential for microfluidics for analytical testing in years to come.

Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) is a novel Additive manufacturing method. It is a high deposition rate process which can be suitable for producing low to medium quantities of medium to large sized components. Because it is such a novel method, there are still somechallenges to solve for the method to be useful. This project have been focusing on how to dealwith these challenges and how to manufacture a torque arm with WAAM. This includes the process on how to go from a CAD model to a printed product. Tests have been done during the project parallel with the design of the torque arm. The design have been modied according to the results from the tests. The result of the project was a more specic description how the softwares can be used to optimizethe process for a successful print. The used slicing software, Simplify3D, have some limitations and other options should be considered. Some limitations for the part design have been identied and some known challenges have been solved. The torque arm was successfully printed but with more time and refinement, the added offset could be reduced. The process was time consuming and needs to be more automated in the future. Some proposals on what should be further tested and evaluated is also stated in this report.

Ce travail de thèse est consacré à la mise en forme de nouveaux matériaux carbonés à partir d’un précurseur biosourcé. Les matériaux carbonés tels que les fibres de carbone utilisés dans les composites sont principalement obtenus à partir de précurseurs d’origine pétrosourcée. Ces précurseurs sont onéreux et incompatibles avec une industrie durable. L’utilisation d’un précurseur biosourcé disponible en grande quantité tel que la lignine permet de pallier ces limitations. La structure moléculaire aromatique et la teneur élevée en carbone de la lignine font d’elle un candidat idéal pour l’élaboration de matériau carboné biosourcé. La lignine a pu être transformée en divers matériaux carbonés tels que des nanofibres de carbone, des tresses de nanofibres de carbone, ou encore des objets 3D composites carbonisés. Ces matériaux ont été obtenus à partir de techniques innovantes que sont l’électrofilage et l’impression 3D. Le tressage des nanofibres de carbone ex-lignine a permis d’évaluer les propriétés mécaniques des fibres de carbone. Les propriétés électrochimiques des tresses de nanofibres de carbone ex-lignine sont apparues intéressantes pour une utilisation potentielle en tant que microélectrodes. La microstructure faiblement organisée du carbone issue de la lignine a pu être améliorée. Un traitement thermique de graphitisation ou un ajout de nanocharges carbonées ont contribué à cette amélioration. Les propriétés mécaniques, structurales et de conductivité électrique des nanofibres nanocomposites ont permis de définir l’influence de l’oxyde de graphène sur la lignine. Un effet composite entre ces deux constituants a pu être observé. L’impression 3D d’encres composites à base de lignine et d’oxyde de graphène a pu être rapportée pour la première fois afin d’élaborer des objets 3D carbonisés denses, organisés et conducteurs d’électricité. / This work is devoted to the preparation of new bio-based carbon materials. Carbon materials, such as carbon fibers used in composites, are mainly obtained from a petroleum precursor. These precursors are expensive and not compatible with a sustainable industry. The use of a bio-based precursor available in large quantities such as lignin makes it possible to overcome limitations of petroleum based precursors. The aromatic molecular structure and high carbon content of lignin make it an ideal candidate for the production of bio-based carbon material. Lignin could be transformed into various materials such as carbon nanofibers, twisted carbon nanofibers, or carbonized composite 3D structures. These materials have been obtained from innovative techniques such as electrospinning and 3D printing. Twisting of the lignin-based-carbon nanofibers allowed for measurements of their mechanical strength. The electrochemical properties of the lignin-based twisted carbon nanofibers are interesting for potential microelectrode applications. The low microstructural order of the carbon from the carbonized lignin has been improved. Graphitization treatment or addition of carbon nanofillers contributed to this improvement. The mechanical, structural and electrical properties of nanocomposite carbon nanofibers illustrate the influence of graphene oxide on lignin. A composite effect between these two components has been observed. The 3D printing of composite inks based on lignin and graphene oxide has been reported for the first time in order to elaborate dense, organized and electrically conductive 3D carbonized structures.

Après l’incorporation de radionucléides dans l’organisme, l’imagerie quantitative en médecine nucléaire et l’anthroporadiométrie sont utilisés pour quantifier l’activité retenue. L’étalonnage de ces systèmes in vivo peut être amélioré afin de tenir en compte de la variabilité individuelle. En vue d’optimiser la mesure de l’activité retenue, des fantômes d’étalonnage innovants ont été réalisés par impression 3D. L’infographie 3D a été utilisée pour la conception, en parallèle avec un travail d’ingénierie permettant l’inclusion de radionucléides et l’adaptation aux besoins des utilisateurs. Un jeu de fantômes thyroïdiens adapté à l’âge a été développé et utilisé pour améliorer la mesure anthroporadiométrique thyroïdienne des enfants. À la suite d’une étude systématique, les coefficients d’étalonnage des installations de routine et de crise de l’IRSN ont été déterminés pour l’adulte et les enfants de 5, 10 et 15 ans. Un fantôme thyroïdien pathologique a été développé en plus du jeu de fantômes thyroïdiens dédié à la crise pour améliorer la mesure de fixation thyroïdienne en médecine nucléaire. Une étude multicentrique a été réalisée pour optimiser l’étalonnage afin de mieux personnaliser le traitement des pathologies bénignes de la thyroïde. Pour l’anthroporadiométrie pulmonaire, une famille de fantômes de poitrine a été développée pour améliorer la surveillance des travailleuses du nucléaire. Finalement, ce travail de recherche a permis de développer des fantômes adaptés aux besoins et de démontrer leur utilité pour la quantification de l’activité en dosimétrie interne. / Following the incorporation of radionuclides in the body, quantitative imaging in nuclear medicine and in vivo spectrometry measurements are used to quantify the retained activity. The calibration of these in vivo systems can be improved to take account of individual variability. To optimize the measurements of the activity retained, innovative calibration phantoms were created and manufactured by 3D printing. 3D computer graphics were used for the design, coupled with an engineering work allowing the inclusion of radionuclides and the fit to users’ needs. A set of age-specific thyroid phantoms has been developed and used to improve the thyroid in vivo measurement of children. Following a systematic study, the calibration coefficients for IRSN emergency and routine installations were determined for adults and 5, 10 and 15 year old children. A pathological thyroid phantom has been developed in addition to the set of thyroid phantoms dedicated to the emergency to improve the thyroid uptake measurement in nuclear medicine. A multicentre study was carried out to optimize the calibration so that treatment of thyroid benign diseases moves towards a better personalization. For lung in vivo measurement, a set of breast phantoms has been developed to improve the monitoring of female workers. Finally, this research work has allowed developing several phantoms adapted to the needs and their usefulness was proven for the quantification of the activity in internal dosimetry.

The need for reliable and cost-effective testing procedures for Additive Manufacturing (AM) is growing. In this Dissertation, the development of a new computational-experimental method based on the realization of specific testing artifacts to address this need is presented. This research is focused on one of the widely utilized AM technologies, Fused Deposition Modeling (FDM), and can be extended to other AM technologies as well. In this method, testing artifacts are designed with simplified boundary conditions and computational domains that minimize uncertainties in the analyses. Testing artifacts are a combination of thin and thick cantilever structures, which allow measurement of natural frequencies, mode shapes, and dimensions as well as distortions and deformations. We apply Optical Non-Destructive Testing (ONDT) together with computational methods on the testing artifacts to predict their natural frequencies, thermal flow, mechanical properties, and distortions as a function of 3D printing parameters. The complementary application of experiments and simulations on 3D printed testing artifacts allows us to systematically investigate the density, porosity, moduli of elasticity, and Poisson’s ratios for both isotropic and orthotropic material properties to better understand relationships between these characteristics and the selected printing parameters. The method can also be adapted for distortions and residual stresses analyses. We optimally collect data using a design of experiments technique that is based on regression models, which yields statistically significant data with a reduced number of iterations. Analyses of variance of these data highlight the complexity and multifaceted effects of different process parameters and their influences on 3D printed part performance. We learned that the layer thickness is the most significant parameter that drives both density and elastic moduli. We also observed and defined the interactions among density, elastic moduli, and Poisson’s ratios with printing speed, extruder temperature, fan speed, bed temperature, and layer thickness quantitatively. This Dissertation also shows that by effectively combining ONDT and computational methods, it is possible to achieve greater understanding of the multiphysics that governs FDM. Such understanding can be used to estimate the physical and mechanical properties of 3D printed components, deliver part with improved quality, and minimize distortions and/or residual stresses to help realize functional components.

<p>Ceramics have been extensively used in aerospace, automotive, medical, and energy industries due to their unique combination of mechanical, thermal, and chemical properties. The objective of this thesis is to develop an extrusion based ceramic 3D printing process to digitally produce a casting mold. To achieve the objective, an in-house designed ceramic 3D printer was developed by converting a filament based plastic 3D printer. For mold making applications, zircon was selected because it is an ultra-high temperature ceramic with high toughness and good refractory properties. Additionally, alumina, bioglass, and zirconia slurries were formulated and used as the feedstock material for the ceramic 3D printer.</p> <p>The developed 3D printing system was used to demonstrate successful printing of special feature parts such as thin-walled high aspect ratio structures and biomimetically inspired complex structures. Also, proof of concept with regard to the application of 3D printing for producing zircon molds and casting of metal parts was also successfully demonstrated. </p> <p>To characterize the printed parts, microhardness test, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction (XRD) analyses were conducted. The zircon samples showed an increase in hardness value with an initial increase in heat treatment temperature followed by a drop due to the development of porosity in the microstructure, caused by the decomposition of the binder. The peak hardness value for zircon was observed to be 101±10 HV0.2. Similarly, the microhardness values of the other 3D printed ceramic specimens were observed to increase from 37±3 to 112±5 HV0.2 for alumina, 23±5 to 35±1 HV0.2 for bioglass, and 22±5 to 31±3 HV0.2 for zirconia, before and after the heat-treatment process, respectively. </p> <p>Finally, a system model for the ceramic 3D printing system was developed through the application of the model-based systems engineering (MBSE) approach using the MagicGrid framework. Through the system engineering effort, a logical level solution architecture was modeled, which captured the different system requirements, the system behaviors, and the system functionalities. Also, a traceability matrix for the system from a very abstract logical level to the definition of physical requirements for the subsystems was demonstrated.</p>

Bei dem 3D-Multimaterialdruck handelt es sich um ein Verfahren, mit dem es erstmals möglich ist, mehrere Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem Arbeitsgang zu verdrucken. Um die geometrischen und physikalischen Beschränkungen aufzubrechen, wurde an der Professur Elektrischen Energiewandlungssysteme und Antriebe ein Verfahren entwickelt, mit dem es möglich wird, ganze elektromagnetische Energiewandler in einem Arbeitsgang herzustellen. Gleichzeitig lassen sich völlig neue Bauformen von Maschinen realisieren. Durch den Austausch von konventionellen Isolationsmaterialien durch Keramikisolation, werden die thermischen Eigenschaften von Elektromotoren signifikant verbessert.

Thèse réalisée dans le cadre d'une collaboration avec UCB Pharma et la région Wallonne s'inscrivant dans le cadre du projet SAS. Le but de ce projet était de développer des implants sous-cutanés imprimés en trois dimensions pour permettre une libération d’anticorps thérapeutique de manière prolongée au cours du temps. En effet, les thérapies disponibles sont souvent administrées par voie intraveineuse, ce qui peut réduire la compliance des patients dû à l’inconfort et à la fréquence de ces administrations. Les systèmes de délivrance, tels que des implants, peuvent limiter les fréquences d’administration grâce à l’insertion d’un dispositif qui libèrera le principe actif au cours du temps durant une période donnée. Les implants s’inscrivent comme une alternative aux microsphères qui sont également des dispositifs développés et investigués en vue de favoriser l’adhésion et la compliance des patients. L’avènement du 3D dans le milieu pharmaceutique a montré une certaine frénésie liée au développement de la médecine personnalisée et à l’innovation du procédé dans ce secteur. La sélection d’un matériau biocompatible et biorésorbable tel que le PLGA représente une véritable plus-value dans le développement d’implant. Etant donné que ces implants sont biodégradables, le retrait n’est pas à envisager, ce qui limite les désagréments du patient à un seul acte chirurgical lors de l’implantation. Au cours de ce travail, une approche pragmatique a d’abord été abordée sur les procédés d’extrusion à chaud et de l’impression 3D en utilisant un polymère couramment employé dans l’impression grand public, le PLA. L’investigation des paramètres d’impressions (température d’impression, epaisseur de couche et vitesse d’impression) et l’usage de divers plastifiants (la triacétine (TA), le polyethylène glycol 400 (PEG 400), le citrate de triéthyle (TEC) et l’acétyle citrate de triéthyle (ATEC)) pour faciliter les procédés à chaud et dans l’idée de réduire les températures d’extrusion et d’impression du matériau ont été évalués. Ces essais ont démontré l’effet de la température d’impression sur la qualité de l’impression et principalement sur les propriétés du matériau comme la force de traction et la ductilité. De plus, l’ajout de plastifiant à la matrice du PLA a permis de diminuer sa température de transition vitreuse. Par exemple, la température de transition vitreuse du PLA a été diminuée de 53 °C à 34 °C par l’ajout de PEG 400. Cette approche avait pour but d’évaluer la possibilité de diminuer les températures d’impression dans l’optique d’encapsuler à chaud un anticorps sensible à la chaleur pour la suite de ce travail.Ensuite, le développement de filaments imprimables contenant des anticorps a été abordé et mis en place à l’aide d’un modèle d’anticorps polyclonal disponible en grandes quantités et à des coûts relativement faibles. Un anticorps à l’état solide a été favorisé dans le procédé car il est largement accepté que les protéines sous forme solide sont plus stables au cours du temps en comparaison aux solutions d’anticorps. De plus, cet état solide facilite les manipulations précédant l’extrusion comme l’étape de mélange. Pour la réalisation des filaments, différents types de PLGA ont été investigués afin d’atteindre les propriétés nécessaires à l’impression en termes de diamètre mais également de comportement physique. Ces dérivés étaient caractérisés par des masses moléculaires différentes comme pour le PDLG5004 (44 kDa), le RG502 (7-17 kDa) et parmis eux, un copolymère PEG-PLGA (2 kDa-20 kDa). Un PLGA de faible masse moléculaire a été sélectionné pour développer ce filament. En effet, les extrusions étaient réalisables à une température maximum de 90 °C et les impressions à 113 °C minimum. L’un des enjeux cruciaux du développement de filament imprimable contenant un anticorps à haute concentration, au minimum 15% (w/w), était d’en assurer l’homogénéité. Cependant, l’usage de températures aussi élevées lors de l’impression a induit la dégradation de l’anticorps par la formation d’agrégats et principalement de fragments. Ces derniers sont généralement produits lors de procédé à haute température ou par l’usage de conditions drastiques telles que l’acidification du milieu. Cette plateforme a été adaptée à l’encapsulation d’anticorps thérapeutique fournit par UCB Pharma. L’usage d’un anticorps monoclonal possédant une stabilité supérieure à celle du modèle initialement utilisé permettrait d’identifier l’impact du procédé sur l’intégrité de l’anticorps. La formulation de l’anticorps a été réalisée en utilisant différents stabilisants conventionnels (sucrose (Suc), trehalose (Tre), 2-Hydroxypropyl-beta-cyclodextrine (HP-β-CD), inuline (Inu) et sorbitol (Sor)) et reconnus pour la stabilisation des protéines. A côté des excipients ajoutés, différentes quantités d’excipients ont été investigués. Ces manipulations ont montré que la stabilité de l’anticorps était privilégiée à l’aide du sucrose et du tréhalose à un ratio anticorps monoclonal:excipient de 2.0:1. En gardant ce ratio, l’ajout d’un acide aminé (leucine) aux deux disaccharides précédemment cités, a amélioré la stabilité de l’anticorps vis-à-vis des procédés à chaud (extrusion et impression 3D). L’homogénéité au sein des filaments imprimables et des pièces 3D a été confirmée tout au long du procédé. En effet, les charges en anticorps étaient similaires à la charge théorique de 15% (w/w). Aucune fragmentation de l’anticorps n’a été observée à l’issue des procédés à chaud. Cependant, une augmentation des agrégats de 2.6% en solution à 3.6% après impression 3D a été constatée à la fin du processus. Après avoir stabilisé l’anticorps, le but premier étant d’en promouvoir une libération prolongée au cours du temps. Les profils ont révélé une libération en trois phases au cours du temps mais avec un relargage après 24h relativement faible (< 5%) dû à la densité des matrices polymériques. Ensuite, la dégradation du polymère représente l’élément limitant la libération de l’anticorps au cours du temps. En effet, l’érosion du polymère joue un rôle clé dans la libération de l’anticorps encapsulé. La libération au cours du temps a été démontrée sur une période allant jusqu’à 15 semaines. La stabilité de l’anticorps dans le milieu de dissolution a été évaluée et une dégradation de celui-ci au cours du temps a été observée. Cette dégradation est principalement liée à l’érosion du polymère et à l’acidification du milieu au cours du test de dissolution. Après avoir optimisé la formulation de l’anticorps et avoir démontré la libération prolongée de celui-ci, son affinité restait à être étudiée. La capacité de l’anticorps à se lier à sa cible a pu être démontrée après 24h de dissolution mais cette affinité s’est réduite au cours de la durée de la dissolution avec une augmentation de l’agrégation et de la fragmentation de l’anticorps. Une étude de stabilité a également démontré que les implants imprimés en 3D sont stables à une température 5 °C sur une durée de 6 mois. Aucun élément de dégradation n’a été observé au cours du temps et l’affinité de l’anticorps a été préservée au cours de l’étude. Finalement, cette plateforme a également été évaluée pour l’encapsulation d’une troisième molécule biologique, un fragment d’anticorps monoclonal, pour d’une part en estimer la stabilité et l’applicabilité et d’autre part envisager une prochaine étude pré-clinique sur rongeurs. Le fragment d’anticorps a montré une stabilité supérieure à celle de l’anticorps monoclonal avec une faible agrégation après l’extrusion et l’impression. La libération prolongée du fragment a été évaluée sur 8 semaines et une libération du fragment de 79% a été observée avec une formulation contenant du tréhalose et de la leucine. En effet, les fragments d’anticorps ont une demi-vie plasmatique relativement faible, de l’ordre de 28 minutes, ce qui donne tout son sens à des systèmes à libération prolongée. Pour finir, la réalisation d’une étude pré-clinique permettrait de valider le modèle. En conclusion, ce travail a démontré la faisabilité de l’usage de l’impression 3D en vue de développer des systèmes à libération prolongée contenant des anticorps et en utilisant des procédés à hautes températures. Ces implants ont été caractérisés par une stabilité favorable et une libération intéressante qui feront l’objet d’investigation lors d’études pharmacocinétiques. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Pharmacie) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Additively manufactured (AM) metals have been increasingly fabricated for structural applications. However, a major hurdle preventing their extensive application is lack of understanding of their mechanical properties. To address this issue, the objective of this research is to develop a computational model to simulate the creep behavior of nickel alloy 718 manufactured using the laser powder bed fusion (L-PBF) additive manufacturing process. A finite element (FE) model with a subroutine is created for simulating the creep mechanism for 3D printed nickel alloy 718 components. A continuum damage mechanics (CDM) approach is employed by implementing a user defined subroutine formulated to accurately capture the creep mechanisms. Using a calibration code, the material constants are determined. The secondary creep and damage constants are derived using the parameter fitting on the experimental data found in literature. The developed FE model is capable to predict the creep deformation, damage evolution, and creep-rupture life. Creep damage and rupture is simulated as defined by the CDM theory. The predicted results from the CDM model compare well with experimental data, which are collected from literature for L-PBF manufactured nickel alloy 718 of creep deformation and creep rupture, at different levels of temperature and stress. Using the multi-regime Liu-Murakami (L-M) and Kachanov-Rabotnov (K-R) isotropic creep damage formulation, creep deformation and rupture tests of both the secondary and tertiary creep behaviors are modeled. A single element FE model is used to validate the model constants. The model shows good agreement with the traditionally wrought manufactured 316 stainless steel and nickel alloy 718 experimental data collected from the literature. Moreover, a full-scale axisymmetric FE model is used to simulate the creep test and the capacity of the model to predict necking, creep damage, and creep-rupture life for L-PBF manufactured nickel alloy 718. The model predictions are then compared to the experimental creep data, with satisfactory agreement. In summary, the model developed in this work can reliably predict the creep behavior for 3D printed metals under uniaxial tensile and high temperature conditions.