De nouvelles solutions basées sur la technologie de l'intégration hydraulique ont été introduites dans la mise en œuvre d'un système robotique humanoïde à actionnement hydraulique compact et léger. Pour ce faire, les chercheurs ont appliqué des méthodes et des technologies récentes basées sur des techniques d'usinage avancées et sur la fabrication additive de métaux. Malgré cela, ces méthodologies ont montré des limites liées non seulement au temps de réalisation, ce qui induit des coûts élevés, mais également au poids total du mécanisme obtenu. Ainsi, il important de développer des travaux de recherche sur de nouvelles méthodologies pour réaliser des mécanismes robotiques hydrauliques intégrés, compacts, légers et à faible coût économiques.C’est l’objet de travail développé dans cette thèse qui a pour objectif de proposer de nouvelles méthodologies pour la fabrication de composants mécaniques de robots humanoïdes à commande hydraulique. Cela concerne, en premier lieu, la fabrication additive de matériaux composites qui sera développée pour la réalisation des pièces structurelles classiques. En second lieu, deux nouvelles méthodologies sont proposées pour l’obtention de composants hydrauliques intégrés légers, avec une résistance élevée et un temps de réalisation et un coût réduits. La première méthodologie consiste à combiner la fabrication additive de polymères thermoplastiques et la simple formation de composites aléatoires en carbone. Tandis que la deuxième propose l'utilisation de tuyaux en silicone à la place des thermoplastiques imprimés tout en gardant le même matériau de renfort. Les deux méthodologies sont détaillées étape par étape et appliquées au bras du robot HYDROïD. Des gains importants sur le poids total du bras sont donnés. Par ailleurs, un nouvel vérin hydraulique composite léger est développé pour remplacer les vérins métalliques dont le poids est fatalement très élevé. Une procédure développée à partir du modèle de contraintes, passant par un processus d'optimisation et se terminant par la conception mécatronique est présentée. L’actionneur hydraulique est mis en œuvre et testé pour l'articulation du genou du robot HYDROïD et une proposition de généralisation à toutes les articulations est également avancée. Enfin, des perspectives à court et à moyen termes pour des développement ultérieur de nouvelles générations de systèmes robotiques à actionnement hydraulique intégré concluent cette thèse. / Modern researches have been inducted in the implementation of a compact and lightweight hydraulically actuated humanoid robotic systems, using the technology of hydraulic integration. In the a eld, researchers have applied recent technologies starting from advanced machining methodologies and ending with additive manufacturing of me-tals. Despite, these methodologies have shown inconvenient points related to cost, time and weight of the obtained mechanism. This motivates the research of new methodologies toward developing compact, cost effective and light-weight hydraulic integrated robotics mechanisms, which are discussed in this thesis.This thesis represents new methodologies toward fabricating mechanical components of the hydraulic actuated humanoid robots. This starts with the classical structural parts which will be fabricated using additive manufacturing of composite materials. Then, the hard task comes. Two new methodologies are proposed to obtain hydraulic integra-ted components with lightweight, high strength and with low time and cost. The rst methodology is by combining the additive manufacturing of thermoplastics polymers and the simple forming of random carbon ber composites. While, the second methodology proposes the usage of silicone pipes instead of the printed thermoplastics, keeping the same reinforcement material. The two methodologies are explained step by step and applied to the arm of HYDRO•D robot. Lately, a new lightweight composite hydraulic actuator is developed to replace the heavy weight metallic one. This is using a developed procedure starting from stress model, passing by an optimization process and ending with the mechatronic design. Then, this hydraulic actuator is implemented and tested. This is applied to the knee joint of the robot and generalized to all the robot joints. By the end of this thesis, an important conclusion will be drawn and the perspective of the research will be settled for further development.

La FA (Fabrication Additive) est un procédé de fabrication qui rend possible, en ajoutant de la matière couche après couche, la création de pièces en trois dimensions. Cette technologie a de nombreux intérêts car elle permet l’intégration de formes ou de structures complexes, la réduction des déchets, la fabrication sur demande et la réduction du temps de conception. Au cours de cette thèse, nous avons cherché à déterminer des orientations remarquables de pièces afin de les fabriquer par des procédés de FA. Au vu du grand nombre d’effets liés à l’orientation d’une pièce, nous avons choisi une approche multicritères prenant en compte la qualité de surface des pièces, le volume de support, le temps et le coût de fabrication. Afin d’avoir une bonne qualité de surface sur les faces fonctionnelles de la pièce et pour limiter le post-traitement, une orientation précise a été définie pour chacune d’elle. Cette méthodologie a été développée dans le cadre du projet Taal, projet de recherche et développement précurseur du logiciel 4D-Additive de Coretechnologie. Sur ce dernier, en plus de cette méthodologie, de nombreuses fonctions ont été développées pour préparer la fabrication d’une pièce par un procédé additif. L’orientation d’une pièce en FA est une étape à ne surtout pas négliger. Elle pourra permettre de trouver un compromis entre les spécificités liées aux procédés de FA ou entrainer un coût important de fabrication et une qualité de surface de la pièce médiocre. Des évolutions de la méthode sont possibles comme une étude mécanique de la pièce dans les différentes orientations testées car de nombreuses questions se posent sur la résistance des pièces imprimées. / AM (Additive Manufacturing) is a manufacturing process that makes possible, by adding layer-by-layer material, to create three-dimensional parts. This technology has many interests as it allows complex shapes or structures integration, waste reduction, on-demand fabrication and reduced conception time. During this thesis, we tried to determine remarkable orientations of parts in order to manufacture them by AM process. Considering the large number of effects related to part orientation, we chose a multi-criteria approach taking into account the surface quality of the parts, the volume of support, the manufacturing time and cost. In order to have a good surface quality on functional faces of the part and to limit the post-treatment, a precise orientation has been defined. This methodology was developed in the structure of the Taal project, a research and development project precursor of Coretechnologie's 4D-Additive software. On this last, in addition to this methodology, many functions have been developed to prepare the manufacture of a part by an additive process. The orientation of a part in AM is a step that can’t be overlooked. It may make it possible to find a compromise between the specificities related to the AM processes or generate a high manufacturing cost and a poor surface quality of the part. Evolutions of the method are possible as a mechanical study of the part in the different orientations tested because many questions arise on the strength of the printed parts.

Le mélanome uvéal est le type de cancer de l'œil le plus répandu chez l'adulte. Il s'agit du mélanome le plus commun après le cancer de la peau. La curiethérapie en est le traitement privilégié : elle consiste à irradier la tumeur à l'aide de sources radioactives disposées dans un support lui-même maintenu en place à l'aide d'une plaque épisclérale (PE). Leur conception a été élaborée par l'Association Américaine des Physiciens en Médecine (AAPM) et la Société Américaine de Curiethérapie (SAC) il y a plusieurs décennies. Cette conception permet de traiter adéquatement la plupart des formes et tailles des mélanomes uvéaux. Néanmoins, le traitement peine à traiter toutes les formes et engendre fréquemment des effets secondaires indésirables. Ce projet vise à développer une nouvelle conception des PE personnalisées pouvant répondre à une majorité de mélanomes uvéaux en minimisant les effets secondaires. La fabrication additive, qui consiste à fabriquer des objets couche par couche, a été utilisée afin de produire ces nouvelles plaques pouvant être personnalisables. Ce projet vise à produire des PE issues de la fabrication additive en polyétheréthercétone (PEEK) et de quantifier leur conformité géométrique. Pour ce faire, la tomodensitométrie par rayons X (TDM-X) a été employée. Cette technique d'imagerie permet d'évaluer de manière précise et complète le niveau de conformité géométrique des PE. Ainsi, dans ce projet, des plaques épisclérales de 10 mm, 14 mm et 22 mm ont été imprimées en PEEK, en adaptant leur conception à la fabrication additive. Une analyse de conformité géométrique utilisant la TDM-X et comparant les résultats avec les modèles 3D des plans de conception a permis de quantifier la conformité géométrique à une hauteur de 0,13 mm en moyenne. En somme, ce projet de maîtrise pave la voie à un traitement de curiethérapie pour traiter le cancer de l'œil à l'aide de PE conçues sur mesure pour le patient.

Inventée en 1983, comme procédé de prototypage rapide, la fabrication additive (FA) est aujourd’hui considérée comme un procédé de fabrication quasiment au même titre que les procédés conventionnels. On trouve par exemple des pièces obtenues par FA dans des structures d’aéronef. Cette évolution de la FA est due principalement à la liberté de forme permise par le procédé. Le développement de diverses techniques sur le principe de fabrication couche par couche et l’amélioration en quantité et en qualité de la palette de matériaux pouvant ainsi être mis en forme, ont été les moteurs de cette évolution. De nombreuses autres techniques et matériaux de FA continuent de voir le jour. Dans le sillage de la FA (communément appelée impression 3D) a émergé un autre mode de fabrication : l’impression 4D (I4D). L’I4D consiste à explorer l’interaction matériaux intelligents (MIs) – FA. Les MIs sont des matériaux dont l’état change en fonction d’un stimulus ; c’est le cas par exemple des matériaux thermochromiques dont la couleur change en réponse à la chaleur ou des hydrogels qui peuvent se contracter en fonction du pH d’un milieu aqueux ou de la lumière. Les objets ainsi obtenus ont – en plus d’une forme initiale (3D) – la capacité de changer d’état (en fonction des stimuli auxquels sont sensibles les MIs dont ils sont faits) d’où la 4e dimension (temps). L’I4D fait – à juste titre – l’objet d’intenses recherches concernant l’aspect fabrication (exploration de nouveaux procédés et matériaux, caractérisation, etc.). Cependant très peu de travaux sont entrepris pour accompagner les concepteurs (qui, a priori, ne sont ni experts FA ni des experts de MIs) à l’utiliser dans leurs concepts. Cette nouvelle interaction procédé-matériau requiert en effet des modèles, des méthodologies et outils de conception adaptés. Cette thèse sur la conception pour l’impression 4D a pour but de combler ce vide méthodologique. Une méthodologie de conception pour la FA a été proposée. Cette méthodologie intègre les libertés (forme, matériaux, etc.) et les contraintes (support, résolution, etc.) spécifiques à la FA et permet aussi bien la conception de pièces que celle d’assemblages. En particulier, la liberté de forme a été prise en compte en permettant la génération d’une géométrie minimaliste basée sur les flux fonctionnels (matière, énergie, signal) de la pièce. Par ailleurs, les contributions de cette thèse ont porté sur la conception avec les matériaux intelligents. Parce que les MIs jouent plus un rôle fonctionnel que structurel, les préoccupations portant sur ces matériaux doivent être menées en amont du processus de conception. En outre, contrairement aux matériaux conventionnels (pour lesquels quelques valeurs de paramètres peuvent suffire comme information au concepteur), les MIs requièrent d’être décrits plus en détails (stimulus, réponse, fonctions, etc.). Pour ces raisons un système d’informations orientées conception sur les MIs a été mis au point. Ce système permet, entre autre, d’informer les concepteurs sur les capacités des MIs et aussi de déterminer des MIs candidats pour un concept. Le système a été matérialisé par une application web. Enfin un cadre de modélisation permettant de modéliser et de simuler rapidement un objet fait de MIs a été proposé. Ce cadre est basé sur la modélisation par voxel (pixel volumique). En plus de la simulation des MIs, le cadre théorique proposé permet également le calcul d’une distribution fonctionnelle de MIs et matériau conventionnel ; distribution qui, compte tenu d’un stimulus, permet de déformer une forme initiale vers une forme finale désirée. Un outil – basé sur Grasshopper, un plug-in du logiciel de CAO Rhinoceros® – matérialisant ce cadre méthodologique a également été développé. / Invented in 1983, as a rapid prototyping process, additive manufacturing (AM) is nowadays considered as a manufacturing process almost in the same way as conventional processes. For example, parts obtained by AM are found in aircraft structures. This AM evolution is mainly due to the shape complexity allowed by the process. The driving forces behind this evolution include: the development of various techniques on the layer-wise manufacturing principle and the improvement both in quantity and quality of the range of materials that can be processed. Many other AM techniques and materials continue to emerge. In the wake of the AM (usually referred to as 3D printing) another mode of manufacturing did emerge: 4D printing (4DP). 4DP consists of exploring the smart materials (SM) – AM interaction. SMs are materials whose state changes according to a stimulus; this is the case, for example, with thermochromic materials whose color changes in response to heat or hydrogels which can shrink as a function of an aqueous medium’s pH or of light. The objects thus obtained have – in addition to an initial form (3D) – the capacity to shift state (according to the stimuli to which the SMs of which they are made are sensitive) hence the 4th dimension (time). 4DP is – rightly – the subject of intense research concerning the manufacturing aspect (exploration of new processes and materials, characterization, etc.). However, very little work is done to support the designers (who, in principle, are neither AM experts nor experts of SMs) to use it in their concepts. This new process-material interaction requires adapted models, methodologies and design tools. This PhD on design for 4D printing aims at filling this methodological gap. A design methodology for AM (DFAM) has been proposed. This methodology integrates the freedoms (shape, materials, etc.) and the constraints (support, resolution, etc.) peculiar to the AM and allows both the design of parts and assemblies. Particularly, freedom of form has been taken into account by allowing the generation of a minimalist geometry based on the functional flows (material, energy, and signal) of the part. In addition, the contributions of this PhD focused on designing with smart materials (DwSM). Because SMs play a functional rather than a structural role, concerns about these materials need to be addressed in advance of the design process (typically in conceptual design phase). In addition, unlike conventional materials (for which a few parameter values may suffice as information to the designer), SMs need to be described in more detail (stimulus, response, functions, etc.). For these reasons a design-oriented information system on SMs has been developed. This system makes it possible, among other things, to inform designers about the capabilities of SMs and also to determine SMs candidates for a concept. The system has been materialized by a web application. Finally, a modeling framework allowing quickly modeling and simulating an object made of SMs has been proposed. This framework is based on voxel modeling (volumetric pixel). In addition to the simulation of SMs behaviors, the proposed theoretical framework also allows the computation of a functional distribution of SMs and conventional material; distribution which, given a stimulus, makes it possible to deform an initial form towards a desired final form. A tool – based on Grasshopper, a plug-in of the CAD software Rhinoceros® – materializing this methodological framework has also been developed.

La fabrication additive, ou impression 3D, regroupe plusieurs procédés permettant d’obtenir des pièces par empilement de couches de matière à partir de modèles CAO, sans outillage spécifique. En l’espace d’une dizaine d’années, les procédés additifs ont vu leur notoriété croître bien plus rapidement que la rentabilité de leurs applications industrielles.En effet, ces technologies doivent encore gagner en maturité, en particulier pour les applications métalliques. C’est l’enjeu du projet FUI-9 FALAFEL dans lequel s’inscrit cette thèse, menée en partenariat avec plusieurs acteurs industriels et académiques. Elle a pour but d’accompagner le développement du procédé de dépôt laser direct (DLD), aussi appelé dépôt de métal assisté par laser (LMD).Celui-ci consiste à projeter et à fondre de la poudre métallique sur un substrat suivant un motif défini, couche après couche. Il permet d’obtenir des pièces de grandes dimensions peu complexes avec un état de surface moyen et une productivité correcte, mais encore insuffisante pour son industrialisation.La spécificité de ce travail est d’étudier le procédé DLD avec l’alliage de titane TA6V, dans des régimes opératoires permettant d’atteindre des débits volumiques de construction élevés (> 100 cm3/h).Les recherches sont orientées suivant deux axes. En premier lieu, on s’attache à améliorer la compréhension et la maîtrise du procédé, en établissant les relations entre paramètres opératoires, critères géométriques, stabilité du bain de fusion, rendement massique et microstructure générée.Dans un deuxième temps, on s’intéresse à la possibilité de réutiliser les poudres projetées non fondues. On étudie jusqu’à 3 niveaux de recyclage de la poudre, sans dilution avec de la poudre neuve, puis on vérifie que les propriétés mécaniques sont en accord avec les exigences aéronautiques. / Additive manufacturing, also known as 3D printing, aggregates several processes that allows to build parts by stacking layers of a given material, directly from CAD models, without specific tools. Over the past decade, additive processes have gained in notoriety much more rapidly than their industrial applications gained in profitability.Indeed, these technologies must still mature, especially for metallic applications. This is the challenge of the project FUI-9 FALAFEL, in which this thesis takes place, carried out in partnership with several industrial and academic actors. It aims to accompany the development of the direct laser deposition process (DLD), also known as laser metal deposition (LMD).This consists in projecting and melting metal powder on a substrate in a defined pattern, layer by layer. It allows to obtain large size and low complexity parts with high roughness and a proper productivity, despite being still insufficient for industrialization.The specificity of the present work is to study the DLD process in operating modes that allow to reach high build rates (> 100 cc/h), in application to the titanium alloy TA6V.This work is driven by two research focus. In the first place, we try to improve the understanding and control of the process by establishing the relationships between operating parameters, geometric criteria, melt pool stability, process efficiency and generated microstructure.In a second stage, we focus on the possibility to reuse powders that remain unmelted after deposition. Up to 3 levels of powder recycling are studied, without dilution with new powder. We then carried out tests to check that the mechanical properties were in accordance with the aeronautical requirements.

En utilisant des solutions de production issues des technologies de Fabrication Additive (FA), l’industrie s’ouvre de nouvelles possibilités pour la fabrication de pièces à haute valeur ajoutée. Dans le but d’être pleinement exploitables, ces procédés de fabrication doivent permettre la réalisation de pièces dont la qualité est adaptée aux besoins de l’industrie. Ces travaux se concentrent sur deux points ciblés de la maîtrise de la qualité en FA appliquée à la technologie Electron Beam Melting (EBM).Le premier point abordé s’intéresse à l’impact de la position d’une pièce dans l’espace de fabrication d’une machine sur la qualité géométrique de cette pièce. Pour caractériser l’espace de fabrication de la machine Arcam A1, plusieurs séries de pièces sont fabriquées à différentes localisation de l’espace, puis comparées à leur design initial. Les écarts mesurés entre les pièces et leur géométrie souhaitée montrent que la périphérie de l’espace de fabrication est une zone sujette à d’importants défauts géométriques. Ces défauts sont caractérisés et des solutions sont proposées pour en limiter l’impact sur la qualité géométrie des pièces.Le second point traite de la porosité des pièces fabriquées. Lorsque l’apport énergétique du faisceau d’électron n’est pas adéquat pour fondre correctement la poudre, des pores peuvent se former dans le matériau des pièces fabriquées. La géométrie et le matériau des pièces rendent difficiles la détection de ses pores. Une méthode de détection est proposée pour détecter la présence de pores dans une pièce via un contrôle standardisé sur un élément qui copie les conditions de fusion de la pièce. Cette méthode propose deux alternatives de contrôle : un contrôle optique (rapide, abordable mais peu précis) et un contrôle tomographique (plus précis que le précédent mais moins rapide et abordable). Un algorithme de traitement d’image innovant a été développé dans le cadre de cette étude afin de rendre les tomographies du témoin plus fiables. / By using production solutions from Additive Manufacturing (AM) technologies, the industry is opening up new possibilities for manufacturing high added value parts. In order to be fully exploitable, these manufacturing processes must allow the production of parts whose quality is adapted to the needs of the industry. This work focuses on two aiming points of quality control in AM applied to Electron Beam Melting (EBM) technology.The first point deals with the impact of a part position in the manufacturing space of a machine on the geometric quality of this part. To characterize the manufacturing space of the Arcam A1 machine, several series of parts are manufactured at different locations of the space, then compared to their initial design. The differences measured between the parts and their desired geometry show that the periphery of the manufacturing space is a zone subject to important geometrical defects. These defects are characterized and solutions are proposed to limit the impact on the geometrical quality of parts.The second point deals with the porosity of manufactured parts. When the energy supply of the electron beam is not adequate to melt the powder properly, pores can form in the material of the manufactured parts. The geometry and material of the parts make it difficult to detect its pores. A detection method is provided to detect the presence of pores in parts via a standardized control on an item that copies the parts merging conditions. This method offers two control alternatives: an optical control (fast, affordable but not very accurate) and a tomographic control (more accurate than the previous one but slower and costlier). An innovative image processing algorithm is developed as part of this study to make the item tomography scans more reliable.

Un nouveau procédé de fabrication additive de pièces métalliques, basé sur le procédé de soudage à l’arc appelé CMT (Cold Metal Transfert), est étudié dans l’objectif de réaliser des pièces en alliage d’aluminium Al-5Si. Un banc de fabrication additive basé sur le principe des imprimantes 3D open source, sur lequel a été intégré le procédé CMT, a été spécialement développé. Le procédé CMT permet de contrôler la fusion d’un fil d’aluminium et son dépôt sous la forme de gouttelettes sur la surface de construction, formant après solidification des « cordons » qui peuvent être superposés pour fabriquer des pièces. L’influence des paramètres du procédé sur les phénomènes de transfert de matière et de chaleur lors de la fusion du métal et de son dépôt sur la surface de construction, ainsi que sur les caractéristiques géométriques des cordons déposés, dans le cas de dépôts mono-cordon, puis dans le cas de murs formés par la superposition d’un grand nombre de cordons, est étudiée. Plusieurs défauts géométriques ont été observés, et les conditions de leur apparition analysées, grâce notamment à l’utilisation d’une caméra rapide. La compréhension des relations entre paramètres procédé, mécanismes de transfert de chaleur et de matière, et géométrie des cordons, a permis de corriger ces défauts en identifiant puis modifiant les paramètres procédé responsables de leur apparition. Enfin, une méthode de contrôle en ligne du procédé, basée sur l’analyse des signaux de tension et d’intensité produits par le générateur de soudage au cours du phénomène de dépôt, qui permet de détecter précocement l’apparition de défauts, et ainsi de modifier les paramètres procédé avant qu’ils ne s’amplifient, a été proposée. / A new additive manufacturing process for metallic parts, based on the arc welding process known as CMT (Cold Metal Transfer), is studied with the objective of building parts with the aluminium alloy Al5Si. A workbench for additive manufacturing based on the 3D printers open-source principle, on which the CMT generator was integrated, was specially developed. The CMT process allows to control the aluminium wire melting and its deposition under the form of droplets on the building surface, forming, after solidification, beads that can be superposed for the parts construction. The process parameters influence on the material transfer and heat transfer during the metal melting and deposition on the build surface, as well as on the geometric characteristics of the deposed beads, in the case of mono-layer deposits, and in the case of multi-layer walls, is studied. Many geometric defects were observed, and their apparition conditions analysed, thanks in particular to the use of a high-speed camera. The understanding of the relations between the process parameters, the melting and heat transfer mechanisms, and the beads geometry, allowed the defects correction by identifying and modifying the process parameters responsible of their apparition. Finally, an on-line control method for the process, based on the analysis of the voltage and current signals produced by the welding generator during the deposition phenomena, making possible the early detection of defects, and then the modification of the process parameters before they are amplified, has been proposed.

Le but de cette thèse est de proposer une méthodologie de conception pour la réalisation depièces en fabrication additive (FA). Par rapport aux familles de procédés de fabrication standard que sontl'enlèvement de matière, la déformation plastique et la fusion, les procédés de FA présentent descaractéristiques nouvelles permettant la fabrication de pièces en multimatériaux, d'assemblagesindémontables ou encore de formes complexes. L’arrivée de cette nouvelle technologie implique unchangement de paradigme nécessitant l’accompagnement des concepteurs dans leurs missions dedéveloppement de produits de qualité. De plus les caractéristiques mécaniques et l'état de surfaces despièces obtenues en FA dépendent de leur orientation au moment de la réalisation. Par ailleurs, en fonctiondu procédé, de la géométrie souhaitée et de cette orientation, il peut être nécessaire d'intégrer du supportafin d'assurer la fabricabilité de la pièce. Nous avons donc défini une méthodologie de conception, quirespecte l’intégrité de la chaine numérique et dont la finalité est la production d'un modèle numériquetranché prêt à être fabriqué sur une machine de FA. Pour ceci, notre méthodologie se base sur lesdonnées du cahier des charges fonctionnel (CDCF) et les connaissances métier du procédé renseignéespar le concepteur afin de lui proposer automatiquement un premier solide dont la géométrie satisfait toutesces contraintes. Une étape d'optimisation topologique vient ensuite restreindre le volume de matière utilede la pièce afin de limiter son poids, son coût et le temps de fabrication. Enfin, si nécessaire, un supportoptimisé assurant la fabricabilité de la pièce est généré selon ces mêmes critères. Cette méthodologies'accompagne d'un cas d'étude industriel ainsi que de deux expérimentations visant à observer lapossibilité d'un parachèvement à l'acétone sur des pièces réalisée en ABS. La première expérimentationest un plan d'expérience mesurant l'état de surface obtenu en s'appuyant sur la température de l'acétone,le temps d'opération, l'inclinaison des surfaces de la pièce et son épaisseur. La seconde expérimentationest un test de traction visant à observer une modification de la tenue mécanique de pièces soumises à cetraitement. Indépendamment du type de machine et du procédé de FA, la méthodologie que nousproposons est un premier pas concret vers l’obtention de pièces directement conformes, que ce soit pourdes besoins industriels ou domestiques. / The aim of this thesis is to propose a design methodology to produce parts using additivemanufacturing (AM). Compared to standard manufacturing processes, as machining, forming, casting ormolding, AM processes have new features for manufacturing multi-material parts, nondetachableassemblies or complex shapes. The arrival of this new technology involves a paradigm shift that requiressupport to designers to develop quality products. Also the mechanical and finishing specifications of theparts obtained by AM depend on their orientation during the manufacturing. Furthermore, depending onthe process, the desired geometry and the orientation, it could be necessary to integrate a support in orderto ensure manufacturability of the part. We define a design methodology that respects the integrity of thedigital channel and whose purpose is to produce a sliced numerical model ready to be manufactured on anAM machine. For this, our methodology is based on data from functional specification and businessknowledge of the process indicated by the designer, to automatically propose a first solid geometry whichsatisfies all these requirements. After this first step, a step of topological optimization restricts the volumeof the part in order to reduce its weight, cost and manufacturing time. Finally, if necessary, optimizedsupport ensuring the manufacturability of the part is generated according to the same criteria. Thismethodology is accompanied by an industrial case study as well as of two experiments to observe thepossibility to finish parts made of ABS with acetone. The first experiment is an experimental design whichmeasures the obtained surface finish based on the temperature of the acetone, the operating time, theinclination of the surfaces of the piece and its thickness. The second experiment is a tensile stress testdesigned to observe a change in the mechanical resistance of the part. Regardless of the type of machineand the AM process, the methodology we propose is a first concrete step towards obtaining directlycompliant parts, whether for industrial or domestic use.

La Fabrication Additive (FA) vient aujourd’hui bouleverser des habitudes de conception bien ancrées, et suscite dans le même temps un intérêt grandissant pour les perspectives qu’elle offre pour l’innovation produit. Pourtant, alors que les enjeux liés à l’innovation sont prépondérants en conception amont, peu de concepteurs connaissent et utilisent le potentiel des connaissances FA pour développer puis sélectionner des solutions créatives. Dans ce contexte, notre recherche a pour objectif d’augmenter la capacité d’innovation des concepteurs en intégrant des connaissances FA lors de la conception amont. Pour cela nous proposons d’intégrer des connaissances FA explicites dites « au juste besoin », c’est-à-dire dont le contenu, l'instanciation et le support sont adaptés aux besoins des équipes de conception. De plus, nous proposons que cette intégration s’effectue dans un modèle de conception permettant l’approche Design With Additive Manufacturing (DWAM). Nos apports sont la proposition : d’une démarche, basée sur le Knowledge Management, permettant de repérer, capitaliser puis valoriser les connaissances FA au juste besoin ; mais également d’un modèle de conception amont en 3 étapes dans lequel les connaissances FA utiles à l’approche DWAM sont spécifiées. Enfin, ce modèle enrichi est valorisé dans un outil numérique support afin de faciliter le travail collaboratif et concourant. / The onset of Additive Manufacturing (AM) upsets design practices and is receiving attention because its potential is promising for product innovation. However, while innovation issues are paramount during early design stages, few designers have sufficient knowledge about AM and use it poorly to develop creative solutions. Thus, our research objective is the increase of the innovation capacity of the design team through the integration of AM knowledge into early design. To do this, we propose to use “just needed” AM knowledge, i.e., AM knowledge whose contents, supports and instancing are tailored to the design team needs. Moreover, we propose that this integration takes place in a design model that allows the Design With Additive Manufacturing (DWAM) approach. Our contributions are both the proposal of a methodology based on Knowledge Management dedicated to the identification, the capitalization and the valorization of the “just needed” AM knowledge; and of a design model in 3 stages, in which the useful for DWAM approach AM knowledge is specified. Finally, this enriched model is valued in a digital tool in order to improve collaborative and concurrent design.

Afin de répondre aux exigences industrielles, aux besoins environnementaux ainsi qu’aux contraintes de fonctionnement, les composants électroniques doivent être protégés et interconnectés avec les autres éléments du système. Cette étape est appelée « Packaging ». Cependant, les technologies de packaging classiques, telles que le scellement de boitier, le brasage ou le moulage, sont généralement limitées au niveau de la géométrie du boitier, des interactions matières et ont un impact significatif sur le coût et la complexité de l’encapsulation. De plus, ces techniques sont peu évolutives au cours du développement de produit. En effet, la technique de packaging doit être définie dès le début de la conception du produit, en fonction du composant à encapsuler et des performances attendues. Le choix du mode d’encapsulation conditionne ainsi le processus de réalisation et d’assemblage du système.Dans cette thèse, une nouvelle approche du packaging, plus simple, plus flexible et moins coûteuse, est présentée. La fabrication additive, plus connue sous le nom d’impression 3D, permet de construire un packaging personnalisé, parfaitement adapté aux dimensions et spécifications des composants. Cette approche, simplifie le procédé d’encapsulation en fusionnant les différentes étapes de fabrication du boitier, de mise en place et d’étanchéité. De plus, elle permet également d’encapsuler facilement des composants déjà existants (composant sur étagère, du commerce).Afin de valider la faisabilité d’un packaging directe par fabrication additive, cette étude s’est tenue à un objectif principal : comprendre les mécanismes d’adhésion physico-chimiques (mécanique, chimie, …) mis en jeu entre un polymère ABS imprimé par fabrication additive et un substrat. Pour cela, plusieurs axes de recherches ont été développés, tels que :- Le choix du procédé de fabrication additive, basé sur l’adhésion du polymère imprimé sur substrat et la résolution du procédé. Cet axe, nous a permis de sélectionner la stéréolithographie (technique de fabrication reposant sur la polymérisation localisée de résine spécifique, réactive aux UV).- Les mécanismes d’adhésion entre un polymère ABS et un substrat. Cet axe, basé sur la connaissance des matériaux, leurs caractérisations chimiques ainsi que la caractérisation physique de l’adhérence, a permis de comprendre les mécanismes d’adhésion mis en jeux lors d’une impression directe sur substrat.- Des études pour améliorer l’adhérence, basées sur différentes chimies (organique, métalliques, inorganique) et topographies de surfaces (rugosité de surfaces, texturations de surfaces réalisées par découpe partielle ou gravure).- La réalisation d’un démonstrateur opérationnel, basé sur l’encapsulation directe d’une puce avec un routage conducteur et des interconnexions électriques. Cet axe nous a permis de valider la compatibilité de l’encapsulation par impression 3D avec un composant électronique.En conclusion, notre étude démontre que l’encapsulation des dispositifs de microélectronique à base de silicium peut être réalisée par de nouvelles techniques, notamment celles de fabrications additives. / In order to answer to industrial requirements and to withstand environment and functioning stresses, electronic components have to be packaged. State of the art of packaging technologies, such as lid sealing, brazing and molding, usually presents shape limitations, material issues and significant cost impact. Moreover, those technics have to be specified at the beginning of the product design in order to fit with the whole package and assembly processes, without decreasing the device performances.A new approach used to build a specific packaging allowing flexibility, simplicity and cost competitiveness is presented. Using the polymer additive manufacturing, more usually known as 3D printing, we propose to build customized structures and packages perfectly fitting with component dimensions and specifications. This approach simplifies the packaging process by merging the steps of package manufacturing, die encapsulation onto its substrate, and sealing. Moreover, it permits to easily package and encapsulate components off-the-shelf.In order to validate the feasibility of direct packaging by additive manufacturing, this study focused on a main objective: to understand the physical and chemical adhesion mechanisms (mechanics, chemistry, ...) involved between an ABS polymer printed by additive manufacturing and a substrate. For this, several research axes have been developed, such as :- The choice of additive manufacturing process, based on the adhesion of the printed polymer on the substrate and the resolution of the process. This axis allowed us to select the stereolithography process (manufacturing technique based on polymerization of specifics UV-reactive resins).- The adhesion mechanisms between an ABS polymer and a substrate. This axis, based on materials knowledge, their chemical characterizations and physical characterization of the adhesion, leads us to understand the adhesion mechanisms that occurred during a direct printing on substrate.- Studies to improve adhesion, based on different chemistries (organic, metallic, inorganic) and surfaces topographies (roughness, surface patterns obtained by partial dicing or chemical etching).- The realization of an operational prototype, based on the direct encapsulation of a chip with a conductive routing and electrical interconnections. This axis allowed us to validate the compatibility of 3D printing encapsulation with an electronic component.In conclusion, our study demonstrates that the encapsulation of silicon-based microelectronic devices can be achieved by new techniques, including additive manufacturing.