Titre de l'écran-titre (visionné le 25 octobre 2023) / Ce mémoire est l'aboutissement d'une recherche-création de deux ans sur la conception et la fabrication numérique appliquées à la construction en béton. Les six chapitres qu'il comprend traitent de l'état actuel des méthodes utilisées pour la mise en place de formes complexes en béton, du potentiel des nouvelles méthodes émergentes et finalement, de l'impact potentiel de ces méthodes sur les processus de conception et de fabrication. La recherche-création était une méthodologie de recherche. Elle permettait de concevoir des éléments complexes à mettre en place pour pousser au maximum les limites des méthodes testées et soulever les enjeux architecturaux et constructifs propres à chacune. L'aller-retour créatif entre la conception et la technique permet de valider ou d'invalider de manière directe les possibilités offertes par la fabrication additive pour le coffrage de formes complexes. Ces méthodes incluent -- mais ne se limitent pas à -- l'impression 3D flexible, l'impression 3D soluble et l'impression 3D nylon. Leurs forces et faiblesses sont discutées dans le mémoire, et des recommandations sur les situations optimales à l'utilisation de chacune se retrouvent à la fin de leurs sections respectives. Finalement, on retrouve dans le mémoire des expérimentations, observations et réflexions sur la trace de l'outil et l'augmentation d'échelle. Ces deux sections permettent de comprendre l'ensemble du potentiel architectural concret suggéré par ces nouveaux modes de fabrication. Parfois limitées par les moyens accessibles dans le cadre de cette recherche, des explorations sur les différentes manières de mettre en place des éléments complexe en béton à grande échelle viennent complémenter la recherche théorique à cet égard. La collaboration avec les chercheurs en ingénierie du CRIB de la faculté de génie de l'Université Laval a d'ailleurs été essentielle à la validation de certains de ces éléments théoriques. Finalement, l'objctif de cette recherche était de rassembler un maximum de connaissances théoriques et pratique sur les manières de mettre en place une architecture en béton complexe afin de mettre à jour un paysage technologique en constante évolution. / This thesis is the culmination of a two-year research-creation project on digital design and fabrication applied to concrete construction. Its six chapters address the current state of methods used for creating complex concrete forms, the potential of emerging methods, and ultimately, the potential impact of these methods on the design and fabrication processes. Research-creation was the chosen research methodology, allowing for the design of complex elements to push the limits of the tested methods and raise architectural and construction issues at each step. The iterative process between design and technique directly validates or invalidates the possibilities offered by additive manufacturing for complex formwork. These methods include -- but are not limited to -- flexible 3D printing, soluble 3D printing, and nylon 3D printing. Their strengths and weaknesses are discussed in the thesis, and recommendations for their optimal use in specific situations are provided at the end of their respective sections. Additionally, the thesis presents experiments, observations, and reflections on the tool's trace and the scaling of these processes. These two sections help comprehend the full architectural potential suggested by these new fabrication methods. While limited by the available resources within the scope of this research, explorations on different approaches to implementing large-scale complex concrete elements complement the theoretical research in this regard. The collaboration with engineering researchers from the CRIB at the Faculty of Engineering of Université Laval was essential in validating some of the more theoretical aspects. Ultimately, the objective of this research was to gather a maximum amount of theoretical and practical knowledge in order to update a constantly evolving technological landscape regarding the fabrication of complex concrete architecture.

Thèse en cotutelle : « Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence (France) » / La fabrication additive, ou impression 3D, regroupe un ensemble de procédés de mise en forme des matériaux par ajout de matière, en opposition avec les méthodes "traditionnelles" soustractives, comme par exemple l'usinage. De nombreux procédés de fabrication additive existent, et divers matériaux sont exploitables par impression 3D, comme des métaux, des polymères ou des céramiques. En revanche, très peu de solutions ont pour l'instant été proposées pour l'impression de verre, principalement à cause des hautes températures de travail nécessaires. L'objectif de cette thèse est donc de réaliser la fabrication additive de verres phosphates, avantageux pour leurs températures de travail plus faibles et recherchés pour leurs applications dans l'optique ou les biomatériaux. Cela passe par le développement de compositions de verres phosphates adaptées avec de basses températures de transition vitreuse. Dans un premier temps, des verres de composition (50 - x) P₂O₅ - 25 Na₂O - 25 K₂O - x M₂O₃ (%ₘₒₗ), avec M = Al ou Ga et x entre 0 et 10 %ₘₒₗ, ont été étudiés. La composition la plus optimale a ensuite été imprimée via un procédé de dépôt de fil fondu grâce à une imprimante commerciale pour polymères modifiée. Afin d'obtenir des objets imprimés en verre qui sont transparents, il a fallu optimiser les paramètres d'impression pour éliminer les potentiels défauts. Des caractérisations sur les pièces imprimées en verre ont permis d'estimer que la porosité résiduelle était inférieure à 0,02 %. Grâce à ce procédé de fabrication additive de verres phosphates, l'impression de composants optiques à géométries complexes et aux propriétés uniques est envisageable. Un deuxième axe d'étude concerne l'élaboration de verres phosphates hydratés transparents, dont la température de transition vitreuse est inférieure à 100 °C et pouvant être synthétisés à seulement 300 °C. Ces matériaux innovants ont été caractérisés par spectroscopies Raman, infrarouge et RMN afin d'en déterminer la structure. Des groupements -OH sont observés au sein du réseau phosphate, agissant comme des modificateurs du réseau vitreux et sont donc à l'origine des modifications des propriétés du verre. En ajoutant de l'oxyde de zinc à la composition, il est possible d'améliorer la résistance à la dissolution des verres phosphates hydratés tout en maintenant leur transparence et leur basse température de transition vitreuse. Ces nouveaux matériaux ouvrent la voie à des nouvelles voies de fonctionnalisation, dont certaines ont été étudiées avec la réalisation de fibres multimatériaux verre oxyde-polymère et l'inclusion de nanoparticules de trioxyde de tungstène. / Additive manufacturing, also known as 3D printing, refers to a set of manufacturing techniques by adding matter, as opposed to the more 'traditional' subtractive methods, such as machining. There are a lot of very different additive manufacturing processes, as well as a diversity of printable materials, including metals, ceramics and polymers. However, very few solutions have been developed so far for the printing of glass. The main obstacles are the very high processing temperatures required. The main objective of this thesis is to enable the additive manufacturing of phosphate glasses. These glasses are advantageous for their lower working temperatures and are also known for their applications in optics and biomaterials. To that purpose, convenient phosphate glass compositions with low glass transition temperatures were developed. The first system studied was (50 - x) P₂O₅ - 25 Na₂O - 25 K₂O - x M₂O₃ (%ₘₒₗ), with M = Al ou Ga and x between 0 and 10 %ₘₒₗ. The most ideal composition studied in the system was then successfully printed following a fused deposition modeling process, using a modified commercial polymer 3D printer. To obtain printed glass objects that are transparent, printing parameters were finely tuned to avoid potential defects. The residual porosity of printed glass objects is estimated to be lower than 0.02 %. Being able to print phosphate glasses with this process enables the fabrication of optical parts with complex geometries and unique properties. Transparent hydrated phosphate glasses were also studied. These materials exhibit a glass transition temperature below 100 °C and could be synthetized at temperatures as low as 300 °C. The structure of these new materials was then investigated, using Raman, infrared and NMR spectroscopies. -OH groups were found within the phosphate network, where they act as network modifiers, causing the modification of the glass' properties. By adding zinc oxide to the glass composition, it is possible to make the hydrated phosphate glasses more resistant to dissolution while keeping their transparency and their low glass transition temperature. These materials enable new functionalization possibilities, some of which were studied. For instance, glass-polymer composite fibers were made, and tungsten trioxide functional nanoparticles were integrated in a hydrated phosphate glass matrix.

Les capteurs électroniques sont utilisés dans une grande variété de domaines afin de répondre à différents besoins dans notre société. La médecine, la robotique et les téléphones intelligents en sont seulement quelques exemples qui marquent notre quotidien. Dans le cadre du Réseau canadien du CRSNG sur l'électronique imprimée verte (GreEN) le développement de capteurs (temps, température, humidité) imprimés à base de matériaux verts pour application dans les emballages intelligents figurent parmi les principaux objectifs de ce réseau pancanadien qui regroupe des chercheurs académiques de renom et des industriels du domaine de l'impression, de l'emballage et de l'alimentation. Le développement d'une étiquette « intelligente » permettrait la trace efficace, en temps réel, de produits alimentaires sensibles en assurant l'intégrité de la chaîne de froid afin de préserver la salubrité et les qualités gustatives des aliments. Plusieurs projets sont actuellement consacrés au développement de cet emballage fonctionnel dont le miens. En effet, mon projet de maîtrise vise principalement le développement d'un capteur de température imprimé en collaboration avec l'Institut National d'Optique (INO). Le principal objectif est de remplacer la thermistance à base de poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrène sulfonate (PEDOT:PSS) actuellement utilisé dans les capteurs de température développés à l'INO par un matériau dont les propriétés seraient indépendantes de l'humidité. Pour ce faire, des nouveaux matériaux, inspirés du PEDOT, ont été synthétisés et étudiés comme thermistance. Ces matériaux sont, contrairement au PEDOT:PSS qui est une suspension, 100% soluble dans l'eau ce qui facilite grandement l'impression. Dans le cadre de ce mémoire, la formulation, l'impression et la fabrication d'un capteur de température utilisant cette nouvelle génération de PEDOT seront présentés. / Electronic sensors are used in a wide variety of fields to meet different needs in our society. Medicine, robotics and telephones are just a few examples that mark our daily lives. As part of the "NSERC-Green Electronics Network", the development of sensors (time, temperature, humidity) printed on the basis of green materials for application in smart packaging are among the main objectives of this pan-Canadian network which brings together renowned academic researchers and manufacturers in the field of printing packaging and food. The development of the "smart" label would allow the efficient, real-time trace of sensitive food products while ensuring the integrity of the cold chain in order to preserve the safety and taste qualities of food. Therefore, several projects are currently devoted to the development of this functional packaging, including mine. Indeed, my master's project mainly aims at the development of a printed temperature sensor in collaboration with the National Optics Institute (INO). The main objective is to replace the thermistor based on poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) currently used in temperature sensors developed at INO with a material whose properties are independent of humidity. To do this, new materials, inspired by PEDOT, have been synthesized and studied as thermistors. These materials are, unlike PEDOT:PSS which is a suspension, 100% soluble in water which greatly facilitates printing. As part of this thesis, the formulation, printing and fabrication of a temperature sensor using this new generation of PEDOT will be presented.

L'impression 3D de produits pharmaceutiques pourrait offrir des solutions pour la fabrication de médicaments au point d'intervention, c'est-à-dire la fabrication de produits pharmaceutiques au chevet des patients. Toutefois, dans la pratique, des considérations réglementaires demeurent des obstacles au déploiement de médicaments personnalisés imprimés en 3D. Pour mettre en œuvre efficacement cette approche, des méthodes doivent être développées pour garantir la qualité et l'utilisabilité des produits pharmaceutiques imprimés en 3D, en particulier les matériaux mous. Dans cette étude, nous nous sommes penchés sur deux problèmes liés aux médicaments imprimés au chevet du patient : le contrôle de la qualité et le processus de livraison. Le contrôle de la qualité : La fabrication au chevet du patient implique un circuit de distribution dans lequel un sponsor (c'est-à-dire une entreprise) commercialise une technologie permettant aux cliniciens de fabriquer un produit pharmaceutique localement. Pour aider les cliniciens à mieux contrôler la qualité des médicaments fabriqués, le promoteur doit fournir des procédures opératoires normalisées (POS) solides sur lesquelles les cliniciens peuvent s'appuyer. Pour ce faire, une meilleure compréhension des processus d'impression 3D est nécessaire. Nous émettons l'hypothèse que la combinaison du traitement d'images avec des analyses de plans d'expérience (DoE) et l'apprentissage automatique (ML) pourrait améliorer la compréhension du processus d'impression 3D. Nous avons étudié l'impact de trois paramètres critiques du processus (vitesse d'impression, pression d'impression et pourcentage de remplissage) sur trois attributs critiques de qualité (AQC) (poids du gel, surface totale et hétérogénéité). Les échantillons ont été imprimés dans une forme cylindrique simple, avec différents paramètres d'impression, sur une imprimante Cellink BioX. La DoE et l'apprentissage automatique ont généré des modèles prédictifs pour chaque AQC. Les approches DoE et d'apprentissage automatique ont respectivement obtenu environ 50 % et 72 % de précision. Ces résultats montrent que l'algorithme d'apprentissage automatique offre un modèle prédictif amélioré par rapport aux équations fournies par les analyses DoE. En utilisant l'algorithme et leurs ensembles de données expérimentales, les promoteurs des technologies d'impression 3D pourraient donc établir les paramètres d'impression qui sont les moins susceptibles d'échouer au chevet du patient (i.e., une SOP « infaillible ») et qui pourront assurer la qualité du médicament imprimé en 3D, dans divers contextes et environnements. Processus de livraison : Pour administrer des matériaux souples imprimés en 3D, des méthodes doivent être développées pour permettre leur manipulation, tout en préservant l'intégrité structurelle de l'objet. Notre hypothèse est qu'un support plastique flexible peut être utilisé pour transformer les matériaux imprimés en 3D en formats injectables. Nos objectifs sont de caractériser les dimensions et la géométrie du support plastique et de confirmer sa capacité à contenir et à délivrer des liquides de différentes viscosités. À l'instar d'une seringue, ce dispositif est envisagé comme un baril avec un piston qui peut être utilisé pour pousser et administrer l'hydrogel. Différentes géométries de supports plastiques (symétriques et asymétriques) ont été comparées. La capacité du support plastique à contenir et à délivrer des liquides de différentes viscosités a été établie par gravimétrie (à l'aide d'un gel modèle). Nous avons montré que lorsqu'un baril en plastique est en position horizontale, il est capable de contenir tout le liquide, quelle que soit sa viscosité. En revanche, lorsque le baril est positionné verticalement, la capacité de rétention varie entre 45 et 100 % en fonction de la structure de fermeture du dispositif et de la viscosité du gel. Nous avons également démontré qu'il y a généralement une perte de gel lors de l'injection, allant de 20 à 75 % de la quantité totale de gel, en fonction de la viscosité du gel et de la structure du cylindre. Ensuite, trois modèles d'impression d'hydrogel ont été étudiés pour imprimer le gel sur le dispositif de plastique pliable (monolithe, quatre prismes et un grand prisme). L'objectif était d'évaluer l'intégrité de la structure du gel à différentes étapes, notamment après l'impression, après la fermeture du support et après l'extrusion. Les résultats ont montré que le gel conserve son intégrité au cours de ces étapes, en particulier lorsque deux hydrogels sont imprimés conjointement. Les images en fluorescence ont également prouvé que les deux gels ne se mélangent pas, lors de la manipulation du support et après l'extrusion hors du cylindre. En optimisant encore l'approche, la structure pliable pourrait offrir des solutions pour l'injection de matériaux souples imprimés en 3D afin d'améliorer la fabrication de médicaments au chevet du patient. / The 3D printing of pharmaceutical products could offer solutions for point-of-care drug manufacturing - that is, the fabrication of drug products at the bedside of patients. However, in practice, regulatory considerations remain obstacles to the deployment of personalized 3D printed drugs. To efficiently implement this approach, methods must be developed to ensure the quality and usability of 3D-printed pharmaceuticals, specifically soft materials. In this study, we have looked into two problems with on-site printed drugs: quality control and the delivery of soft materials. **Quality control**: Point-of care manufacturing would involve a distribution loop where a sponsor (*i.e.*, a company) would market a technology allowing clinicians to fabricate a drug product at the bedside of their patients. To help clinicians have a better control over the quality of the drug they fabricate, sponsors must provide robust and reliable standard operating procedures (SOP). To achieve this, better understanding of the 3D printing processes is necessary. We hypothesize that combining image processing with design of experiment (DoE) analyses and machine learning (ML) could increase the understanding of the 3D printing process. Herein, we investigated the impact of three critical process parameters (printing speed, printing pressure and infill percentage) on three critical quality attributes (CQA) (gel weight, total surface area and heterogeneity). Samples were printed in a simple cylinder shape, under different printing parameters, using a Cellink BioX printer. Both DoE and ML generated predictive models for each CQA. Using independent data, the accuracy of the DoE and machine learning approaches reached approximately 50% and 72%, respectively. These results support that the ML algorithm offers an improved predictive model, compared to the equations provided by DoE analyses. Using the algorithm and their experimental datasets, sponsors of 3D printing technologies could therefore establish printing parameters that are the least susceptible to fail at the point-of-care (i.e, "infallible" SOP) and can provide reliable 3D printed materials at the point of care, in a variety of conditions and environments. **Delivering process**: To administer 3D-printed soft materials, methods must be developed to enable their handling, while preserving the object's structural integrity. Our hypothesis is that a flexible plastic support can be used to transform 3D printed materials into an injectable object. Our objectives are to characterize the dimensions and the geometry of the plastic support and confirm its ability to hold and deliver liquids of different viscosity. Comparable to a syringe, this device is designed as a barrel with a piston that can be used to push and deliver the hydrogel. Different geometries for plastic support (symmetrical and asymmetrical designs) were compared. The ability of the plastic support to hold and deliver liquids of different viscosity was established gravimetrically (using a model gel). We have shown that when a plastic barrel is in a horizontal position, it is able to hold liquids, regardless of their viscosity. In contrast, when the barrel is positioned vertically, the total liquid retained in the syringe varies between 45 and 100%, depending on the type of barrel closure and the gel viscosity. We have also demonstrated that there is typically a gel lost during injection, ranging from 20% to 75% of the total amount of gel, depending on both the gel viscosity and the barrel structure. For the 3D printing of soft hydrogels, three printing patterns were studied to print the gel on the folding mat (monolith- four prism and one large prism). The objective was to evaluate the integrity of the printed gel at different steps: after printing, after closing the support, and after extrusion. The results showed that the gel maintains its integrity during these steps, even when two hydrogels are printed simultaneously. Fluorescence images also proved that the two gels did not blend after folding the mat and after extrusion from the barrel. Further optimisation of the approach could offer solutions to the injection of soft 3D printed materials to improve point-of-care drug manufacturing.

La fabrication additive regroupe une famille de procédés de mise en forme des métaux permettant la fabrication de pièces à géométrie complexe qui n’étaient pas réalisables auparavant. Selon l'industrie, cette nouvelle technologie est intéressante au niveau économique et au niveau des nouvelles possibilités de conception de pièces que celle-ci rend maintenant possible. Parmi les nombreux procédés de fabrication, la Déposition sous Énergie Dirigée (DED) se distingue des autres technologies de fabrication additive par sa méthode de déposition de matière particulière. Utilisant une puissante source d’énergie sous la forme d’un laser, d’un faisceau d’électrons ou d’un arc plasma, celle-ci permet de créer des pièces en 3 dimensions à l’aide de poudre ou de fil d’apport. La DED est notamment reconnue pour sa capacité à réparer des pièces de manière efficace et sa facilité à créer des pièces présentant des gradients de composition chimique. Ces deux applications particulières ont fait l’objet de trois projets de recherche distincts qui composent ce mémoire de maîtrise. Le premier s’intéresse aux propriétés mécaniques de composites à matrice métalliques d’alliage detitaneTi-6Al-4V renforcés à l’aide de carbures de tungstène conçus à l’aide d’un appareil de type DED. Le second explore les propriétés mécaniques et la microstructure de pièces d’acier inoxydable 316L-Si entièrement construites et réparées avec un appareil DED. Finalement, le dernier ouvrage s’intéresse aux propriétés mécaniques et à la microstructure de pièces d’alliage d’aluminium AlSi7Mg entièrement construites et réparées grâce à la DED. / Additive Manufacturing (AM) is a novel manufacturing process that allows the creation of complex shaped metallic parts from scratch in a layer-by-layer fashion conversely to conventional subtractive processes. This new technology is interesting for many manufacturing industries since it can enable significant cost savings and allows the creation of completely new and more efficient designs that were not achievable before. Directed Energy Deposition (DED) is a sub-category of AM processes that set itself apart from the others with its clever deposition process design.Using a high-density energy source such as an electron beam, a laser or a plasma arc, this process melts feedstock in powder or wire form onto a base plate the create a dense depositand a final part in an iterative way. Thanks to its deposition process, DED apparatuses can create Functionally Graded Materials (FGM) parts exhibiting varying mechanical or physical properties within their volume and repair defective or broken parts. These two main applications were the subject of three different studies that are presented in this master’s thesis. In the first one, complex shaped Ti-6Al-4V Metal Matric Composites (MMC) reinforced with different fraction of tungsten carbides (WC) created with a DED apparatus were studied in terms of mechanical behavior and wear properties.The next paper looked at tensile properties and microstructure of completely built and repaired 316L-Si stainless steel parts with DED. Finally, the last one studied the microstructure and the mechanical properties of entirely built and repaired AlSi7Mgparts using DED.

Le mélanome uvéal représente la majorité des cancers primaires intraoculaires chez l'adulte et 90% des cas sont situés dans la choroïde. Souvent, le mélanome uvéal est traité par curiethérapie ou radiothérapie interne. Dans ce traitement, une plaque épisclérale contenant des sources radioactives est placée par chirurgie sur la sclère du patient afin d'y déposer une dose énergétique permettant de faire diminuer le volume tumoral. Le mélanome uvéal se caractérise par des différences dans les niveaux de radiosensibilité des cellules présentes dans la tumeur. Or, ce facteur n'est pas considéré dans les modèles dosimétriques (« fantômes ») actuellement employés par les physiciens médicaux pour la planification du traitement de curiethérapie. Ce projet de maîtrise consiste à concevoir un fantôme dosimétrique à base d'hydrogel, produit par bioimpression, reprenant certaines caractéristiques géométriques de l'œil, et contenant des cellules présentant différents niveaux de radiosensibilité. Pour ce faire, un hydrogel à d'alginate (fonction mécanique), de gomme de xanthane (fonction imprimabilité) et de collagène de type I (fonction cellulaire) a été optimisé en fonction de son imprimabilité en appareil de bioimpression. Une technique a été développée, permettant l'impression d'un dôme d'hydrogel reprenant la géométrie d'une sclère humaine. La viabilité de cellules du mélanome uvéal dans l'hydrogel a été quantifiée pour trois (3) lignées (Mel270, Mμ2, 92.1) possédant des niveaux de radiosensibilité différents, ainsi que pour une lignée saine (fibroblastes stromaux choroïdiens). Ces tests, comparant les valeurs de viabilité avec et sans procédure de bioimpression, ont permis de déterminer la fenêtre optimale d'utilisation des différentes lignées cellulaires pour des expériences de dosimétrie futures. Le modèle de fantôme ainsi développé permettra d'imprimer des formes tumorales contenant des cellules de différents niveaux de radiosensibilité, afin de mieux mesurer le dépôt de la dose par les plaques épisclérales sur les cellules du mélanome uvéal et de la sclère pendant le traitement de curiethérapie. / Uveal melanoma is the most frequent type of intraocular primary cancer and 90% of these tumours are located in the choroid. Uveal melanoma is usually treated by brachytherapy or internal radiotherapy. In this treatment, an episcleral plaque containing radioactive sources is surgically placed onto the patient's sclera to deposit an energetic dose that will reduce the tumor volume. Uveal melanoma is known to be a type of cancer that shows a wide range of radiosensitivity among the different cells that compose the tumour. However, radiosensitivity data are not taken into account in the current dosimetry models ("phantoms") used to prepare the treatment by the medical physicists. This master's project aims at developing, by 3D printing, an eye-shaped cell-laden hydrogel dosimetry phantom that could be used for studying the effect of radiotherapeutic treatments on different cell types that are associated with different radiosensitivity levels. A hydrogel of alginate (mechanical function), collagen type I (cellular function) and xanthan gum (printability function) was optimized for its printability. A technique was developed to print a dome-shaped hydrogel having the geometry of the human sclera. The cell viability of uveal melanoma in the hydrogel was quantified for 3 cell lines (Mel270, Mμ2, 92.1) having different levels of radiosensitivity, as well as for a healthy cell line (choroidal stromal fibroblasts). These tests that compare the cell viability with and without printing procedures indicated the optimal window for the use of the different cell lines in future dosimetry experiments. The dosimetry phantoms model thus developed will allow the printing of tumor shape containing cells with different radiosensitivity level to better measure the deposition of the dose by the episcleral plaque son uveal melanoma cells and the sclera during the treatment of brachytherapy.

Titre de l'écran-titre (visionné le 14 décembre 2023) / Les propriétés mécaniques des prothèses dentaires complètes amovibles fabriquées par la méthode conventionnelle de mise en moufle par compression et par la technologie d'usinage sont bien documentées dans la littérature actuellement. Toutefois, les études discutant des propriétés mécaniques des bases de prothèses imprimées sont rares. L'objectif de ce projet est de comparer la ténacité à la fracture, la résistance à la flexion et le module d'élasticité de cinq différents matériaux de base de prothèses, produits par trois techniques différentes (conventionnelle, usinage et impression), sous trois différents protocoles de vieillissement à l'eau distillée (0, 7 et 30 jours). En respect de la Norme ISO 20795-1 s'appliquant aux polymères pour base de prothèses dentaires, un total de 750 échantillons a été produit, soit 150 échantillons pour chacun des 5 matériaux à l'étude : Lucitone 199 pour la technique conventionnelle, Lucitone 199 disque pour l'usinage ainsi que Formlabs, Dentca Denture Base 3 et Dentca Denture Base 4 pour l'impression. Les échantillons ont ensuite été polis, vieillis à l'eau distillée et soumis aux divers tests de propriétés mécaniques. La comparaison des données obtenues révèle une différence statistiquement significative entre les divers matériaux, et ce, pour chacun des groupes de vieillissement. Dans les limites de cette étude in vitro, le vieillissement par l'eau réduit la résistance en flexion et le module d'élasticité pour tous les échantillons à l'étude ainsi que la ténacité à la fracture pour les matériaux conventionnel et d'usinage. Le matériau d'impression de Formlabs est celui qui présente les plus grandes valeurs de résistance en flexion et de module d'élasticité. Pour la ténacité à la fracture, les matériaux conventionnel et d'usinage sont ceux présentant les plus grandes valeurs. De façon générale, les échantillons produits à partir des matériaux conventionnel et d'usinage sont moins affectés par le vieillissement que les résines d'impression à l'étude. / Mechanical properties of removable complete denture prostheses manufactured by conventional compression molding and by machining technology are well documented in the literature. However, studies discussing mechanical properties of 3d-printed prosthesis bases are scarce. The aim of this project is to compare the fracture toughness, flexural strength and modulus of elasticity of five different denture base materials, produced by three different techniques (conventional, machining and printing), under three different distilled water aging protocols (0, 7 and 30 days). In compliance with ISO 20795-1 applied to polymers for denture base materials, a total of 750 samples were produced, i.e., 150 samples for each of the 5 selected materials: Lucitone 199 for the conventional technique, Lucitone 199 disc for machining and Formlabs, Dentca Denture Base 3 and Dentca Denture Base 4 for printing. The samples were then polished, aged in distilled water, and subjected to mechanical properties testing. Comparison of the data obtained revealed a statistically significant difference between the various materials for each aging group. Within the limits of this in vitro study, water aging reduced flexural strength and modulus of elasticity of all studied specimens, as well as fracture toughness for both conventional and machined materials. Formlabs printing material had the highest values for flexural strength and modulus of elasticity. For fracture toughness, conventional and machined materials have the highest values. Samples produced from conventional and machined materials are less affected by aging compared to printed resins

Des panneaux sandwichs thermoplastiques imprimés en 3D avec des cœurs en nid d'abeille sont étudiés afin d'être utilisés dans la conception d'engins d'exploration lunaire. C'est dû à leur rigidité en flexion élevée, leur faible densité et leur basse conductivité thermique. Les matériaux thermoplastiques ne sont pas aussi bien documentés en termes de comportement mécanique que d'autres matériaux. La recherche est donc nécessaire pour prédire le comportement mécanique de structures en composite thermoplastique fabriquées par impression 3D. À cette fin, ce projet avait trois objectifs principaux. Le premier était de caractériser le comportement mécanique d'un polymer thermoplastique (polylactide ou PLA) imprimé en 3D. Le deuxième était de prédire le comportement mécanique de panneaux sandwichs en PLA avec des simulations. Le troisième était de développer un modèle homogénéisé du cœur en 2D pour les simulations à grande échelle. Les spécimens en PLA ont été caractérisées en traction et en compression. Un module d'élasticité en traction de 2,46 ± 0,07 GPa et un module d'élasticité en compression de 2,68 ± 0,04GPa ont été mesurés. Des essais ont également été réalisés pour des panneaux imprimés soumis à des chargements de compression hors-plan, de flexion trois-points et d'indentation. Ces essais ont été ensuite modélisés par éléments finis. Les modèles 3D, constitués d'éléments coques 2D pour modéliser les cellules du cœur et les peaux, ont prédit le module d'élasticité et la contrainte maximale à 10 % près pour la compression et la flexion. Les modes de flambement, cependant, n'ont pas été si bien modélisés par les simulations de compression et d'indentation, ce qui montre une limite de la méthode. Ce modèle a été ensuite utilisé pour déterminer les propriétés élastiques équivalentes du cœur Ces propriétés, ainsi que les propriétés calculées par des méthodes analytiques, ont été appliquées à des modèles 2D représentatifs des panneaux sandwichs. En comparant ces modèles, il a été établi que le comportement linéaire en traction et en compression dans le plan était similaire. En flexion, le modèle qui utilise des propriétés équivalentes obtenues analytiquement prédit à moins de 5 % la rigidité du modèle 3D complet, tandis que le modèle qui utilise des propriétés équivalentes obtenues numériquement était à moins de 15 %. Étant donné qu'un modèle analytique précis ne sera pas disponible pour prédire les propriétés équivalentes pour chaque géométrie de cœur et pour des matériaux non-isotropes, utiliser es propriétés équivalentes du cœur obtenues par éléments finis dans un modèles coques 2D qui représente le panneau sandwich est une méthode valide pour prédire le comportement mécanique d'une structure sandwich. Avec ce modèle premier comme base, les travaux de modélisation s'étendre aux composites thermoplastiques renforcé par des fibres de carbone qui serviraient à concevoir un engin d'exploration lunaire résistant à son environnement. D'autres travaux peuvent également être effectués sur différents panneaux qui, grâce à la flexibilité de l'impression 3D, ont une densité ou une géométrie variable. Ces panneaux sandwichs aideront à optimiser la structure d'un engin d'exploration lunaire capable de survivre à des cycles jour-nuit complets sur la lune. / 3D printed thermoplastic composite sandwich panels with honeycomb cores are being researched as a structural element for lunar rovers. This is for their high flexural rigidity, low density, and low thermal conductivity. However, thermoplastic materials are not aswell-documented in terms of structural behaviour as other commonly-used materials like aluminum. Therefore, work is needed to develop a model for these thermoplastics. To that end, this project had three main objectives. The first was to characterize a 3D printed thermoplastic polymer (polylactic acid or PLA). The second was to establish a model to predict the mechanical behaviour of printed honeycomb core sandwich panels. The third was to develop an equivalent core model for large-scale simulations. Parts made with PLA were characterized in tension and compression. These tests measured an elastic modulus in tension of 2.46 ± 0.07 GPa and an elastic modulus in compression of 2.68 ± 0.04 GPa. Tests were also performed for printed panels undergoing out-of-plane compression, three-point bending, and indentation, which were then simulated. Three-dimensional simulation models, constructed by modelling the core cells and the skins with two-dimensional shell elements, accurately predicted the elastic modulus and maximum stress to within 10% for both the compression and bending simulations. The buckling modes were less accurately modelled for both compression and indentation simulations, which shows the limit of the current method's predictive capabilities. This model was then used to determine the equivalent elastic properties of the honeycomb core. These properties, along with properties calculated analytically, were applied to 2D plate models that represented the sandwich panels. Comparing these models, it was found that the linear behaviour for in-plane tension and compression were very similar. In bending it was found that the core model that used analytically determined equivalent properties predicted within 5 % the rigidity of the full 3D model. The 2D core model that used numerically determined equivalent properties was within 15 %. Given that a precise analytical model is not available for every core geometry and for non-isotropic materials, the utilization of a core with equivalent properties obtained from finite element analysis of a sandwich panel represented by 2D shell elements is a valid method to predict the mechanical behaviour of a sandwich structure. With this model, progress can be made on the production and modelling of reinforced thermoplastic composites for a lunar rover. Further work can also be done on different panels that have variable densities or geometries that change throughout the core. These sandwich panels will help to optimize a rover's structure to be the first to survive full lunar day-night cycles.

Les machines de fabrication additive métallique actuelles sont dispendieuses et généralement peu productives. De plus, la plupart des pièces issues de la fabrication additive doivent être usinées après l’impression pour obtenir de bonnes tolérances géométriques. L’objectif de ce projet de recherche est de développer un système de fabrication additive hybride pouvant remplacer les machines d’usinage traditionnelles. Les systèmes hybrides combinent les avantages de la fabrication additive et de l’usinage dans un seul système. Ce mémoire présente le développement et la mise en service d’un système de fabrication additive hybride formant des pièces en aluminium à partir d’un filament d’Al4043. Ce système utilise une technologie innovatrice qui se base sur le principe de chauffage par induction. Le filament est fondu directement par induction à l’intérieur d’un tube, puis un flux d’argon permet à l’aluminium en fusion de s’éjecter du tube. Cette méthode permet de faire des préformes en aluminium qui peuvent être usinées afin d’obtenir une pièce finale. Cette technologie permettrait de fabriquer une machine hybride à faible coût tout en ayant un taux de déposition élevé. Le système a été installé sur un bras robotisé FANUC. Les résultats préliminaires démontrent qu’il est possible de générer des gouttelettes d’aluminium de manière contrôlée en pulsant le débit d’argon grâce à une valve. Les gouttelettes sont générées à chaque pulse puis sont projetées sur un substrat en suivant une trajectoire précise. L’accumulation des gouttelettes formera une couche d’aluminium, puis les couches seront empilées pour former une pièce. Des pièces en aluminium ont été mises en forme grâce à ce nouveau procédé de fabrication additive. Le volume des pièces pouvant être imprimées est limité par la perte d’efficacité du système de chauffage par induction après plusieurs minutes d’utilisation. La densité apparente la plus élevée obtenue avec ce système est de 84%. / Current metal additive manufacturing machines are expensive and generally unproductive. In addition, the majority of parts from additive manufacturing must be machined after printing to achieve good geometric tolerances. The objective of this research project is to develop a hybrid additive manufacturing system that can replace traditional machining machines. Hybrid systems combine the benefits of additive manufacturing and machining into a single system. This thesis presents the development and usage of a hybrid additive manufacturing system that can form aluminum parts from a Al4043 filament. The system presented in this thesis uses an innovative technology that is based on the principle of induction heating. The filament is melted directly by induction inside a tube, then a flow of argon allows the molten aluminum to eject from the tube. This method makes aluminum preforms that can be machined to obtain a final piece. With this technology, it could be possible to manufacture a hybrid machine at low cost while having a high deposition rate. The system was installed on a FANUC robotic arm. Preliminary results demonstrate that it is possible to generate aluminum droplets in a controlled manner by pulsing the argon flow through a valve. The droplets are generated at each pulse and are projected onto a substrate along a precise trajectory. The accumulation of droplets will form a layer of aluminum, then the layers will be stacked to form a part. Aluminum parts have been shaped by this new additive manufacturing process. The volume of parts that can be printed is limited by the loss of efficiency of the induction heating system after several minutes of use. The highest bulk density obtained with this system is 84%.

INTRODUCTION : Le test de la membrane chorio-allantoïque (CAM) joue un rôle clé dans la recherche contre le cancer, permettant d'évaluer l'efficacité de nouveaux médicaments sur des cellules cancéreuses humaines greffées sur la CAM afin d'en observer les impacts sur la croissance tumorale. Malgré son importance, ce test présente cependant des limites, comme une prolifération cellulaire rapide et une compatibilité restreinte avec certaines lignées cellulaires. Notre recherche a exploré l'utilisation d'hydrogels pour le moulage ou l'impression 3D d'implants cellulaires, en combinaison avec l'essai CAM, visant à délivrer des facteurs de croissance endothéliale vasculaire (VEGF) et à favoriser la croissance de masses de cellules cancéreuses importantes. MÉTHODOLOGIE : Un hydrogel enrichi d'alginate de sodium, d'acide hyaluronique, pré-réticulé avec des ions Ca$^{2+}$, Matrigel®, VEGF, et du collagène de type I a été développé. Ses propriétés rhéologiques, physico-chimiques, et de biocompatibilité ont été évaluées, puis il a été mélangé avec des cellules cancéreuses HT1080 ou HT29, appliqué sur le CAM, et incubé à 37 ºC pour 7 jours. Les tumeurs vascularisées formées ont été analysées, quantifiant la vascularisation par VEGF via la microscopie optique et l'examen histologique. RÉSULTATS ET DISCUSSION : les résultats ont montré une viabilité cellulaire supérieure à 95% après deux jours d'incubation. Les hydrogels contenant VEGF ont induit une angiogenèse significative. Cependant, le poids des masses tumorales vascularisées a de manière inattendues diminué, suggérant une intégration limitée des hydrogels dans la CAM. Cette observation pourrait expliquer la taille réduite des tumeurs, malgré une réponse angiogénique confirmée par des colorations H&E. CONCLUSION : l'hydrogel développé a maintenu une haute viabilité cellulaire et a stimulé l'angiogenèse sur la CAM. Néanmoins, le développement de grandes masses tumorales a été entravé par une intégration hydrogel-tissu limitée, soulignant le besoin d'améliorations pour optimiser l'utilisation de l'hydrogel dans les essais CAM. / INTRODUCTION: The chorioallantoic membrane (CAM) assay is important in cancer research for assessing new drug efficacy by grafting human cancer cells onto the CAM to evaluate tumor growth impact. Despite its utility, limitations include rapid cell proliferation and restricted cell line compatibility. This research project aimed at identifying if hydrogels for molding or 3D printing of cell-containing implants could be coupled to the CAM assay to a) deliver vascular endothelial growth factors (VEGF) and b) to promote the growth of larger cancer cell masses at the CAM. METHODOLOGY: A sodium alginate and hyaluronic acid-based hydrogel, pre-crosslinked with Ca$^{2+}$ ions, was combined with varying proportions of Matrigel®, VEGF, and collagen type I. Rheological, physicochemical, and biocompatibility tests characterized the hydrogel. It was then mixed with HT1080 or HT29 cancer cells, grafted onto the CAM, and incubated at 37 ºC for 7 days. Vascularized cancer cell masses were harvested, and VEGF-induced vascularization was quantified via optical microscopy. Histological examination assessed the cancer cell masses. RESULTS AND DISCUSSION: Cell viability remained above 95% after two days of incubation with the hydrogel. Hydrogels mixed with VEGF and cancer cells induced angiogenesis on the CAM. Unexpectedly, the average weight of vascularized cancer cell masses decreased. Further hematoxylin and eosin (H&E) staining confirmed angiogenic response to the hydrogel implantation, but the limited integration of hydrogels into the CAM, which could help explain the reduced weight of the cell masses harvested after 7 days of growth on the CAM, by comparison to results from the conventional experiments (cells only). CONCLUSION: The hydrogel formulation developed in this study preserved cell viability in vitro and stimulated angiogenesis on the CAM. However, the development of large cancer cell masses remained challenging due to the limited hydrogel-CAM tissue integration after several days of growth on the CAM.