Cette thèse suit une démarche " materials-by-design " avec pour objectif le développement d'une méthode de conception dédiée aux panneaux sandwichs architecturés pour l'obtention de propriétés multifonctionnelles. Cette méthode s'appuie sur l'utilisation d'un algorithme génétique permettant simultanément une sélection de matériaux (variables discrètes) et un pré-dimensionnement du panneau (variables continues). Trois architectures de cœur ont été étudiées : les mousses, les nids-d'abeilles hexagonaux et les treillis tétraédriques. Dans cette thèse, on définit deux approches différentes de sélection des matériaux. Dans un premier temps, les matériaux architecturés sont considérés comme des matériaux existants, dont les propriétés sont référencées dans une base de données fermée. Cette approche est appelée optimisation par " voie réelle ". Afin d'ouvrir les possibilités en termes de sélection de matériaux, la deuxième approche considère une description semi-continue des matériaux architecturés et est appelée optimisation par " voie virtuelle ". Le matériau cœur est décrit par un matériau constitutif (variable discrète) et par une ou plusieurs variables géométriques continues représentant l'architecture. Utilisant ces deux approches, différentes propriétés d'emploi des panneaux sandwichs sont évaluées : rigidité et résistance en flexion, atténuation acoustique, résistance et isolation thermique, et enfin résistance aux chocs impulsionnels. Chaque fonction est optimisée à masse minimale par optimisation bi-objectifs. Différents cas d'optimisation tri-objectifs sont également présentés afin d'évaluer la compatibilité entre propriétés. En effet, la forme de la surface de compromis obtenue donne une indication sur la compatibilité entre les différents critères. Cette étape d'optimisation permet également l'identification des paramètres de conception optimaux. Dans le cas d'une optimisation par " voie virtuelle ", une comparaison directe entre architectures est aussi possible. Cependant, la démarche d'optimisation mise en place est complexe car globale et travaillant avec des variables mixtes. Deux méthodes mixtes, couplant l'algorithme génétique avec d'autres approches, sont proposées pour permettre un accroissement de la complexité de l'analyse tout en garantissant une complexité raisonnable de l'optimisation.

Au cours des dernières décennies, de nombreux outils ont été développés pour comprendre et gérer les cycles anthropiques des matériaux, avec différentes approches. Chacune considère les flux de matière dans la société de différentes manières et chacune possède ses bases de données respectives alimentant leurs utilisations. Il ne semble toutefois pas y avoir de bases communes pour la communication entre les activités de conception et les activités de bouclage, ainsi que leurs parties prenantes respectives, ce qui entrave les échanges d'informations nécessaires à une bonne gestion des produits mis au rebut (et de leurs matériaux). Cette thèse apporte ainsi deux contributions originales à la conception circulaire de produits: un outil pour l'intégration de la circularité des matériaux dans la conception de produits et un cadre pour caractériser les réseaux de bouclage de matériaux. L'outil est composé d'un indicateur multicritères de la valeur circulaire des matériaux utilisé dans la méthode de conception pour la circularité des matériaux (Design for Material Circularity method). Le cadre s'appuie sur une analyse documentaire approfondie, enrichie par des entretiens avec des experts de l'industrie, et sert de base à la collecte de données et à la capitalisation des connaissances sur les filières de bouclage. Les filières de recyclage en boucle ouverte de huit matériaux, appartenant aux trois principales catégories de matériaux, sont caractérisées grâce à ce cadre (acier, aluminium, cuivre, métaux précieux, métaux de spécialité, terres rares, plastiques et verre). Deux études de cas détaillent le déploiement de ces contributions. La première porte sur le choix optimal du matériau et du scénario de fin de vie pour une bouteille de 1,5 litre. La deuxième vise à identifier les points chauds (hotspots) de circularité des matériaux et les scénarios de fin de vie idéaux pour un bloc-batterie véhiculaire au lithium. / In the last decades, many tools have been developed to understand and manage the anthropogenic cycles of materials, with different approaches. Each handles the material flows in society in different ways and each possesses its respective databases that fuel their uses. Yet there seems to be no common ground of communication between design activities and cycling activities, as well as their respective stakeholders, which hinders the information exchanges required for a proper management of discarded products (and their materials). This thesis provides two original contributions to circular product design: a tool for the integration of material circularity in product design and a framework to characterize material cycling networks. The tool is composed of a multi-criteria indicator for circular material value that is used in the Design for Material Circularity method. The framework is based on an extensive literature review enhanced by industry experts’ interviews and provides a basis for data collection and knowledge capitalization on cycling activities. The open-loop recycling networks of eight materials, from the three main material classes, are characterized using this framework (steel, aluminium, copper, precious metals, specialty metals, rare earth elements, plastics and glass). Two case studies detail the deployment of these contributions. The first focuses on the optimal choice of material and end-of-life scenario for a 1,5-litre bottle container. The second is aimed at identifying material circularity hotspots and ideal end-of-life scenarios for a vehicular lithium-ion battery pack.

Cette thèse suit une démarche « materials-by-design » avec pour objectif le développement d'une méthode de conception dédiée aux panneaux sandwichs architecturés pour l'obtention de propriétés multifonctionnelles. Cette méthode s'appuie sur l'utilisation d'un algorithme génétique permettant simultanément une sélection de matériaux (variables discrètes) et un pré-dimensionnement du panneau (variables continues). Trois architectures de cœur ont été étudiées : les mousses, les nids-d'abeilles hexagonaux et les treillis tétraédriques. Dans cette thèse, on définit deux approches différentes de sélection des matériaux. Dans un premier temps, les matériaux architecturés sont considérés comme des matériaux existants, dont les propriétés sont référencées dans une base de données fermée. Cette approche est appelée optimisation par « voie réelle ». Afin d'ouvrir les possibilités en termes de sélection de matériaux, la deuxième approche considère une description semi-continue des matériaux architecturés et est appelée optimisation par « voie virtuelle ». Le matériau cœur est décrit par un matériau constitutif (variable discrète) et par une ou plusieurs variables géométriques continues représentant l'architecture. Utilisant ces deux approches, différentes propriétés d'emploi des panneaux sandwichs sont évaluées : rigidité et résistance en flexion, atténuation acoustique, résistance et isolation thermique, et enfin résistance aux chocs impulsionnels. Chaque fonction est optimisée à masse minimale par optimisation bi-objectifs. Différents cas d'optimisation tri-objectifs sont également présentés afin d'évaluer la compatibilité entre propriétés. En effet, la forme de la surface de compromis obtenue donne une indication sur la compatibilité entre les différents critères. Cette étape d'optimisation permet également l'identification des paramètres de conception optimaux. Dans le cas d'une optimisation par « voie virtuelle », une comparaison directe entre architectures est aussi possible. Cependant, la démarche d'optimisation mise en place est complexe car globale et travaillant avec des variables mixtes. Deux méthodes mixtes, couplant l'algorithme génétique avec d'autres approches, sont proposées pour permettre un accroissement de la complexité de l'analyse tout en garantissant une complexité raisonnable de l'optimisation. / The present thesis aims at developing a design method dedicated to the optimization of architectured sandwich panels for multifunctional properties following a “materials-by-design” approach. This method is based on a genetic algorithm which enables to deal with materials selection (discrete variables) and geometrical dimensioning (continuous variables) simultaneously. Three core architectures have been investigated: foams, hexagonal honeycombs and tetrahedral truss structures. In this thesis, two main paths for material selection are defined. In the first one, architectured materials are considered as existing materials with properties referenced in a closed materials database. This is called the “real path” optimization. In order to expand the range of possibilities in terms of materials selection, a semi-continuous description of the architectured materials is considered in the second path, which is called “virtual path” optimization. The core material is described by a constitutive material (discrete variable) and a set of continuous geometrical variables representing the architecture. Using these two aforementioned approaches, several working properties of sandwich panels have been evaluated: flexural stiffness and strength, acoustic damping, thermal resistance and insulation, and finally blast mitigation. Bi-objective optimizations were performed in order to optimize each property in a minimal weight design. Some tri-objective cases are also presented, thus assessing the compatibility between different specifications. Indeed, this is achieved by relating trade-off surface shape to the compatibility between specifications. The optimization results also help identify the optimal design regarding the different criteria. Using the “virtual path” approach, a direct comparison between the different core architectures is achievable. Nevertheless, by being global and dealing with mixed variables, the obtained optimization process is complex. Two mixed methods where genetic algorithm is coupled with other approaches are proposed in order to increase the analysis complexity while providing a reasonable optimization complexity.

Les méthodes de sélection de matériaux monolithiques peuvent conduire à des impasses lorsque les exigences fonctionnelles sont très élevées ou contradictoires. Le passage aux multimatériaux peut alors être envisagé. L’objectif de la thèse est de proposer une méthode de conception de multimatériaux à architecture fixée, avec en perspective une application à la conception de conduites offshore pour le génie pétrolier. Seuls les multimatériaux à architecture multicouche sont considérés et la méthode de conception est redéfinie comme une méthode de sélection des constituants du multimatériau et de dimensionnement. Une adaptation des étapes classiques de sélection des matériaux conduit à présenter la méthode en détail sur des exemples simples. Les techniques de programmation par satisfaction de contraintes s’avèrent nécessaires pour la résolution de cas réels de conception multimatériaux. L’application à la conception de conduites offshore permet de valider la méthode et de démontrer sa pertinence. / When the design requirements are either too stringent or are conflicting, no monolithic material solution exists. In such cases the selection of a multimaterial could be considered. The primary aim of this thesis is to provide a methodology for designing multi-materials with a prescribed arrangement of the constituent materials. The second objective is to apply this new methodology to the design of a submarine pipeline. From amongst the huge variety of multi-material arrangements available, this study focusses on multilayered stackings and therefore the design methodology becomes a method for selecting the materials of the stack and sizing the layers. This original approach is presented in detail using basic examples in order to match the steps of classical methods for selecting engineering materials. The constraints programming techniques were very useful for solving real multimaterial design problems. Applying this new method to the design of a submarine pipeline permits its validation and provides proof of its relevance.

Ce travail de recherche a pour objectif général de proposer un modèle de mise en relation du design émotionnel avec la macrotexture et les matériaux pour aider les concepteurs à la sélection de finitions pour les produits industriels. Cette modélisation vise à valoriser le produit à travers l’exploration des mécanismes sensoriels, sémantiques et émotionnels, qui interviennent lors de la perception du produit par le consommateur. Le processus perceptif est ainsi pris en compte à travers différents modalités sensorielles de manière à enrichir le processus de conception. Le secteur d’application de notre recherche a été le secteur automobile, avec le produit « volant ». Ce produit a été analysé dans la catégorie Grand Public. Dans cette catégorie, les matériaux ont été analysés sur un ensemble de 7 différents modèles de volants avec une population française et brésilienne. Par ailleurs, différents paramètres techniques tels que, la dureté, la rugosité et la dissipation thermique, ont été pris en compte dans la mise en relation pour renforcer la communication entre les domaines du Design et l’Ingénierie. / This research has the overall goal to propose a model linking emotional design with macrotexture and materials to help designers in the selection of finishes for industrial products. This model aims to promote the product through the exploration of sensory, semantic and emotional mechanisms, involved in the perception of the product by the consumer. The perceptive process is thus considered through different sensory modalities to enrich the design process. The application sector of our research was the automotive sector, with the product "steering wheel". This product was analyzed in the General Public category. In this category, the materials were analyzed within a set of 7 different steering wheels models by a population of French and Brazilian users. Moreover, different technical parameters such as, hardness, roughness and heat dissipation have been taken into account in the linking to strengthen communication between the fields of Design and Engineering.

Sélectionner des traitements de surface pour l’industrie nécessite de prendre en compte : les propriétés à conférer au substrat, la nature et la géométrie de celui-ci et les caractéristiques du milieu extérieur. Certaines combinaisons de ces paramètres rendent difficile la sélection d’un traitement unique, d’où le recours à des multitraitements de surface. Dès lors, se posent les questions suivantes : - Utiliser des multitraitements de surface peut se faire en scindant les différentes requêtes en sous-ensembles, de manière à ce que chaque traitement réponde à l’un d’eux. Dans quel ordre ces requêtes doivent-elles être introduites par rapport au substrat ? - Comment sélectionner les traitements de surface répondant à chaque requête individuelle ? - Comment classer des multitraitements en termes d’adéquation au problème posé ? Dans ce travail, les première et troisième questions sont abordées, en explorant les requêtes concernant habituellement les dispositifs de moulage de l’aluminium : - Résistance aux contraintes d’origine thermique. - Résistance à la corrosion par les métaux fondus. - Résistance au frottement. L’analyse de la bibliographie relative aux traitements de surface utilisés dans ces systèmes a été analysée et des « architectures »-types ont été identifiées (chapitre 3). On prévoit, par exemple, un traitement conférant la résistance à la fatigue superficielle, ainsi qu’un revêtement étanche et résistant à l’aluminium fondu. Une barrière thermique est parfois préconisée. Pour chacune des architectures, des traitements de surface individuels peuvent être sélectionnés. Un « facteur de performance » permettant de classer les solutions par rapport au problème de la fatigue thermique a été construit (chapitre 4) et discuté dans deux situations : - Lorsqu’un revêtement est présent, et que les contraintes d’origine thermique (différence de dilatation thermique couche-substrat) menacent de le rompre lors de l’immersion dans un milieu corrosif à haute température. Des essais de corrosion dans de l’aluminium fondu ont été réalisés sur un acier revêtu par du nitrure de chrome dopé à l’aluminium, synthétisé par déposition physique en phase vapeur (chapitre 5 – collaboration : Inasmet). - Lorsque des variations thermiques rapides menacent de rompre le substrat et la (les) couches. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur de l’acier à outils pour travail à chaud non traité, boruré ou recouvert d’un multitraitements (zircone yttriée / NiCrAlY / boruration / acier). Le revêtement en zircone yttriée a été obtenu par projection par plasma. L’essai de fatigue thermique a été modélisé et le facteur de performance, discuté (chapitre 6). Au chapitre 7, les architectures-types ont été introduites dans une méthodologie de sélection des multi-traitements de surface, qui a été appliquée dans deux cas : - Celui des moules de fonderie, devant résister à la fatigue thermique et à la corrosion par l’aluminium fondu. Le facteur de performance a été extrapolé à d’autres situations qu’aux chapitres 5 et 6. Les solutions habituellement proposées pour résoudre ce problème sont retrouvées. - Celui de deux pièces en acier frottant l’une contre l’autre en présence d’aluminium fondu. To select surface treatments, one must account for the required functional properties, the substrate features and the solicitations the substrate must endure. Certain combinations of these parameters make it difficult to select a single surface treatment, a reason why several successive treatments are preferred. To select them, one needs to determine: - How to divide the several requests into groups and how to stack up these groups from the substrate to the outer surface, so that each treatment deals with one specific group of requests/properties. - How to select individual layers for each group of properties. - How to rank the multi-treatments in terms of relevance for a given application. In this work, one tries to answer the first and the third questions, by studying the case of aluminium foundry, in which the industrial devices frequently face the following solicitations: - Thermal stress (thermal fatigue, thermal expansion mismatch). - Presence of corrosive molten metal. - Sliding wear. In the literature, several “standard” architectures are proposed (chapter 3), like a diffusion layer reducing superficial fatigue plus a corrosion barrier layer. A thermal barrier coating is also sometimes proposed. For each of these architectures, one can select individual treatments. To rank them, one devised a “performance index” for thermal stress (chap.4), which is discussed for two cases: - For large differences between layer and substrate thermal expansion coefficients, when both are put into contact with a high temperature corrosive medium, the layer may be damaged. One discusses this case by examining the corrosion caused by molten aluminium for a steel substrate coated by anticorrosive chromium nitride doped with aluminium. The layer is produced by physical vapour deposition (chap. 5 – cooperation: Inasmet). - Repeated fast surface temperature transients can also damage the substrate and/or the layer by thermal fatigue. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multilayer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia, followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). One synthesized the zirconia coating by plasma spray and one modelled the thermal fatigue (chap. 6). In chap. 7, architectures from chap. 2 are introduced in a multi-treatment selection routine, which is applied in two cases: - Foundry moulds for molten aluminium, withstanding both thermal fatigue and corrosion. The devised performance index is extrapolated beyond the tests of chap. 5 and 6 to treatments for this industrial application, thereby quantifying their respective merits. - A foundry device exposed to molten metal and sliding wear.

Sélectionner des traitements de surface pour l’industrie nécessite de prendre en compte :les propriétés à conférer au substrat, la nature et la géométrie de celui-ci et les caractéristiques du milieu extérieur. Certaines combinaisons de ces paramètres rendent difficile la sélection d’un traitement unique, d’où le recours à des multitraitements de surface. Dès lors, se posent les questions suivantes :<p>- Utiliser des multitraitements de surface peut se faire en scindant les différentes requêtes en sous-ensembles, de manière à ce que chaque traitement réponde à l’un d’eux. Dans quel ordre ces requêtes doivent-elles être introduites par rapport au substrat ?<p>- Comment sélectionner les traitements de surface répondant à chaque requête individuelle ?<p>- Comment classer des multitraitements en termes d’adéquation au problème posé ?<p>Dans ce travail, les première et troisième questions sont abordées, en explorant les requêtes concernant habituellement les dispositifs de moulage de l’aluminium :<p>- Résistance aux contraintes d’origine thermique.<p>- Résistance à la corrosion par les métaux fondus.<p>- Résistance au frottement.<p>L’analyse de la bibliographie relative aux traitements de surface utilisés dans ces systèmes a été analysée et des « architectures »-types ont été identifiées (chapitre 3). On prévoit, par exemple, un traitement conférant la résistance à la fatigue superficielle, ainsi qu’un revêtement étanche et résistant à l’aluminium fondu. Une barrière thermique est parfois préconisée.<p>Pour chacune des architectures, des traitements de surface individuels peuvent être sélectionnés. Un « facteur de performance » permettant de classer les solutions par rapport au problème de la fatigue thermique a été construit (chapitre 4) et discuté dans deux situations :<p>- Lorsqu’un revêtement est présent, et que les contraintes d’origine thermique (différence de dilatation thermique couche-substrat) menacent de le rompre lors de l’immersion dans un milieu corrosif à haute température. Des essais de corrosion dans de l’aluminium fondu ont été réalisés sur un acier revêtu par du nitrure de chrome dopé à l’aluminium, synthétisé par déposition physique en phase vapeur (chapitre 5 – collaboration :Inasmet).<p>- Lorsque des variations thermiques rapides menacent de rompre le substrat et la (les) couches. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur de l’acier à outils pour travail à chaud non traité, boruré ou recouvert d’un multitraitements (zircone yttriée / NiCrAlY / boruration / acier). Le revêtement en zircone yttriée a été obtenu par projection par plasma. L’essai de fatigue thermique a été modélisé et le facteur de performance, discuté (chapitre 6).<p>Au chapitre 7, les architectures-types ont été introduites dans une méthodologie de sélection des multi-traitements de surface, qui a été appliquée dans deux cas :<p>- Celui des moules de fonderie, devant résister à la fatigue thermique et à la corrosion par l’aluminium fondu. Le facteur de performance a été extrapolé à d’autres situations qu’aux chapitres 5 et 6. Les solutions habituellement proposées pour résoudre ce problème sont retrouvées.<p>- Celui de deux pièces en acier frottant l’une contre l’autre en présence d’aluminium fondu.<p><p>To select surface treatments, one must account for the required functional properties, the substrate features and the solicitations the substrate must endure. Certain combinations of these parameters make it difficult to select a single surface treatment, a reason why several successive treatments are preferred. To select them, one needs to determine:<p>- How to divide the several requests into groups and how to stack up these groups from the substrate to the outer surface, so that each treatment deals with one specific group of requests/properties.<p>- How to select individual layers for each group of properties.<p>- How to rank the multi-treatments in terms of relevance for a given application.<p>In this work, one tries to answer the first and the third questions, by studying the case of aluminium foundry, in which the industrial devices frequently face the following solicitations:<p>- Thermal stress (thermal fatigue, thermal expansion mismatch).<p>- Presence of corrosive molten metal.<p>- Sliding wear.<p>In the literature, several “standard” architectures are proposed (chapter 3), like a diffusion layer reducing superficial fatigue plus a corrosion barrier layer. A thermal barrier coating is also sometimes proposed.<p>For each of these architectures, one can select individual treatments. To rank them, one devised a “performance index” for thermal stress (chap.4), which is discussed for two cases:<p>- For large differences between layer and substrate thermal expansion coefficients, when both are put into contact with a high temperature corrosive medium, the layer may be damaged. One discusses this case by examining the corrosion caused by molten aluminium for a steel substrate coated by anticorrosive chromium nitride doped with aluminium. The layer is produced by physical vapour deposition (chap. 5 – cooperation: Inasmet).<p>- Repeated fast surface temperature transients can also damage the substrate and/or the layer by thermal fatigue. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multilayer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia, followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). One synthesized the zirconia coating by plasma spray and one modelled the thermal fatigue (chap. 6).<p>In chap. 7, architectures from chap. 2 are introduced in a multi-treatment selection routine, which is applied in two cases:<p>- Foundry moulds for molten aluminium, withstanding both thermal fatigue and corrosion. The devised performance index is extrapolated beyond the tests of chap. 5 and 6 to treatments for this industrial application, thereby quantifying their respective merits.<p>- A foundry device exposed to molten metal and sliding wear.<p><p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished