Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Mécanismes d’écoulement et forme des dépôts dans l’impression 3D en béton

Laboratoire principal - Référent principal   -

Directeur du laboratoire principal   -

Spécialité de la thèse Mécanique des fluides

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE DE MARNE-LA-VALLEE

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu COUSSOT Philippe  -  Université Gustave Eiffel  -  Navier

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Dans le domaine de la construction, l’impression 3D de béton peut être utilisée pour construire des structures aux géométries complexes, sans coffrage, et en utilisant moins de matière que des techniques classiques. Dans ce cadre, la technique généralement utilisée est l’extrusion suivie du dépôt d’un filament de béton sur la couche précédente. Pendant l’étape du dépôt, des instabilités peuvent apparaître, provoquant une fragilité de la structure 3D.
Nous avons étudié les instabilités de dépôts linéaires à l’aide d’un montage développé au laboratoire qui permet de contrôler de manière indépendante les vitesses de sortie et de translation de la buse. Ces expériences contrôlées ont été effectuées sur des fluides à seuil simples variés dont le comportement est bien caractérisé et considéré comme modèle du béton.
Nous avons fait varier les paramètres d’impression – vitesse de sortie, vitesse de translation, hauteur, diamètre de buse et seuil – et observé des motifs de dépôts variés : ligne discontinue, ligne droite, méandres, boucles alternées et boucles translatées. Nous avons alors montré de manière semi-empirique que les conditions d’apparition de ces motifs sont complètement décrites par deux paramètres adimensionnels : V* le rapport entre les vitesses de translation et de sortie et H* le rapport entre la hauteur et le diamètre de buse. Nous avons finalement proposé des explications théoriques pour les transitions entre les motifs, complétant la compréhension de l’impact des paramètres d’impression sur les formes et les instabilités de dépôts.
Nous avons aussi développé une technique d’analyse d’images qui nous a permis une étude détaillée de la rupture gravitaire d’un filament de fluide à seuil. Nous avons montré que l’analyse de cet écoulement permet de faire de la rhéométrie élongationnelle, et avons obtenu des courbes d’écoulement élongationnelles de fluides à seuil simples ainsi qu’un test pratique pour la mesure du seuil par pesée de gouttes.
Ce travail apporte une compréhension des formes de dépôts dans l’impression 3D pour la construction. Son utilisation pourra limiter l’apparition d’instabilités au moment du dépôt et pourrait permettre de penser de nouvelles stratégies d’impression exploitant les motifs.

Mots-clefs: impression 3D,rhéologie,élongation,ciment,argile

Laboratoire principal - Référent principal	-
Directeur du laboratoire principal	-
Spécialité de la thèse	Mécanique des fluides
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE DE MARNE-LA-VALLEE
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	COUSSOT Philippe - Université Gustave Eiffel - Navier
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Dans le domaine de la construction, l’impression 3D de béton peut être utilisée pour construire des structures aux géométries complexes, sans coffrage, et en utilisant moins de matière que des techniques classiques. Dans ce cadre, la technique généralement utilisée est l’extrusion suivie du dépôt d’un filament de béton sur la couche précédente. Pendant l’étape du dépôt, des instabilités peuvent apparaître, provoquant une fragilité de la structure 3D. Nous avons étudié les instabilités de dépôts linéaires à l’aide d’un montage développé au laboratoire qui permet de contrôler de manière indépendante les vitesses de sortie et de translation de la buse. Ces expériences contrôlées ont été effectuées sur des fluides à seuil simples variés dont le comportement est bien caractérisé et considéré comme modèle du béton. Nous avons fait varier les paramètres d’impression – vitesse de sortie, vitesse de translation, hauteur, diamètre de buse et seuil – et observé des motifs de dépôts variés : ligne discontinue, ligne droite, méandres, boucles alternées et boucles translatées. Nous avons alors montré de manière semi-empirique que les conditions d’apparition de ces motifs sont complètement décrites par deux paramètres adimensionnels : V* le rapport entre les vitesses de translation et de sortie et H* le rapport entre la hauteur et le diamètre de buse. Nous avons finalement proposé des explications théoriques pour les transitions entre les motifs, complétant la compréhension de l’impact des paramètres d’impression sur les formes et les instabilités de dépôts. Nous avons aussi développé une technique d’analyse d’images qui nous a permis une étude détaillée de la rupture gravitaire d’un filament de fluide à seuil. Nous avons montré que l’analyse de cet écoulement permet de faire de la rhéométrie élongationnelle, et avons obtenu des courbes d’écoulement élongationnelles de fluides à seuil simples ainsi qu’un test pratique pour la mesure du seuil par pesée de gouttes. Ce travail apporte une compréhension des formes de dépôts dans l’impression 3D pour la construction. Son utilisation pourra limiter l’apparition d’instabilités au moment du dépôt et pourrait permettre de penser de nouvelles stratégies d’impression exploitant les motifs.
Mots-clefs:	impression 3D,rhéologie,élongation,ciment,argile

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