Nassif, Marcel. "Méthode de fabrication additive endoscopique par photopolymérisation pour la réparation in-situ de systèmes en espace contraint." Electronic Thesis or Diss., Compiègne, 2022. http://www.theses.fr/2022COMP2684.
Abstract:
Cette thèse est dédiée à l’étude et au développement d’une méthode endoscopique d'impression additive par photo-polymérisation. Le principe de l'endoscopie permet d'imprimer des objets en 3D ou de réparer des pièces endommagées dans un assemblage mécanique dense sans le démonter. La thèse consiste, après étude de l’état de l’art, à proposer des solutions adaptées à la problématique endoscopique, puis modéliser, concevoir, réaliser et valider expérimentalement deux principaux sous-systèmes (photo-polymérisation UV par guide d’image, pulvérisation de résine par conduit tubulaire) qui, une fois synchronisés, permettent l’impression additive par voie endoscopique. Le principe d’impression additive proposé et étudié est inspiré de la méthode de photo-polymérisation en cuve. Une résine liquide est transmise par voie endoscopique et pulvérisée sur la surface d'impression. Suite à cette pulvérisation, un motif UV, structuré par une matrice de micro-miroir de type DMD (Digital Micromirror Device), est transmis par guide d'image et focalisé sur la surface d'impression pour polymériser certaines zones d’une couche de résine liquide. Ces deux étapes sont effectuées plusieurs fois de façon à imprimer des couches superposées pour l’obtention finale d’une pièce en trois dimensions. Un système d'actionnement de la sonde endoscopique (platine de translation non intégrée) permet de maintenir la sonde à une distance de la surface d'impression égale à la distance focale de l’objectif de l’instrument. Dans cette thèse, le système de projection UV endoscopique a été conçu, modélisé, réalisé et testé. La conception et les performances du système optique ont été publiés dans des actes de conférence. Des objets multicouches ont été fabriqués avec une épaisseur de couche de 50 μm, sur une surface d'impression circulaire de 9,54 mm de diamètre. Une méthode d'analyse optique basée sur l'utilisation des fonctions de transfert de modulation (MTF) est utilisée pour tester les performances de l'instrument optique endoscopique et pour caractériser la résolution des pièces imprimées. En exploitant la méthode MTF de façon expérimentale, une chute de la résolution optique due au guide d'image a été estimée à 16 μm par rapport à la valeur obtenue dans le montage expérimental contenant les mêmes composants optiques, à l'exception du guide d'image. La résolution latérale des pièces imprimées est finalement de 50 μm, la limite n’étant pas liée à la résolution latérale du système optique mais à la nature de la résine utilisée. Dans cette thèse, un système de pulvérisation par voie tubulaire a également été dimensionné, réalisé et testé. Un système d'atomisation endoscopique a été mis en place pour permettre un dépôt à distance de la résine sur la surface d'impression. Le choix d’une méthode d'atomisation par air a été adopté. La conception, le contrôle et la réalisation du système d'atomisation sont présentés. Le système de pulvérisation et le système de projection de motifs UV ont été finalement combinés. Des résultats préliminaires d'impression d'objets ont été obtenus et des pièces 3D d'une épaisseur de 0,65 mm ont été imprimées (9 couches). À cause d’un phénomène nommé « overspray » (durant le processus de pulvérisation, la résine atteint la surface d'impression et est poussée sur les côtés par la pression de l’air qui la pulvérise), l'épaisseur des couches n'est pas constante, mais diminue progressivement, le réglage des paramètres de pulvérisation devient alors critique. Différentes perspectives de ce travail de thèse ont été identifiées. Le système de pulvérisation doit encore être optimisé afin de résoudre le problème posé par le phénomène d’overspray. De plus, une pré-étude d’un système de visualisation intégré a été effectuée, qui demande à être approfondie, pour permettre un contrôle de la photo-polymérisation en cours d’impression<br>This thesis concerns the study and the development of a novel endoscopic 3D printing process based on photo-polymerization. The idea behind endoscopic 3D printing is to print 3D objects or to repair damaged parts in a dense mechanical assembly without disassembling it. The thesis aims, once the state of the art is studied, to propose solutions adapted to the endoscopic problem, then to model, design, realize and experimentally validate the two main subsystems (UV photo-polymerization through an image guide, resin spraying through a tubular pipe) which, once synchronized, provide the additive printing. Inspired by the vat polymerization method, the liquid resin is transmitted endoscopically and sprayed onto the printing surface (spraying system). Then, a UV pattern, structured by a DMD (Digital Micromirror Device), is transmitted through the image guide and focused onto the printing surface to polymerize a layer of liquid resin. These two steps are repeated several times in order to print layers on top of each other to obtain a 3D part. An endoscopic actuation system (non-integrated translation actuator) allows maintaining the probe at a distance from the printing surface equal to the focal length of the objective of the instrument. In this thesis, the endoscopic UV projection system was designed, modeled, implemented and tested. The design and performances of the optical system were presented in two international conferences. Multilayer objects were fabricated with a layer thickness of 50 μm on a circular printing area of 9.54 mm in diameter. An optical analysis method based on the use of the modulation transfer functions (MTF) was used to test the performance of the endoscopic optical system and to characterize the lateral resolution of the printed parts. Using the MTF method experimentally, a drop in optical resolution due to the image guide was estimated as high as 16 μm compared to the value obtained in the experimental setup containing the same optical components except for the image guide. The lateral resolution of the printed parts was finally limited by the resin (50 μm) and not by the resolution of the optical system. An endoscopic atomization system was also studied, implemented and tested. An endoscopic spraying system was implemented to allow a remote deposition of the resin onto the printing surface. The choice of an air atomization method was adopted. The design, control and realization of the atomization system are presented. Finally, the spraying system was combined with the UV pattern projection system. Preliminary results of printing objects were obtained and 3D parts with a thickness of 0.65 mm are printed (nine layers). Due to a phenomenon called "overspray" (during the spraying process, the resin reaches the printing area and is pushed to the sides by the air pressure that sprays it), the thickness of the layers is not constant between them, but gradually decreases, so the adjustment of the spraying parameters becomes critical. The spraying system still needs to be optimized in order to eliminate overspray and to be able to print uniform layers with a specific thickness. In addition, we have been working on a 2D visualization system but the lack of light on the printing surface prevents us from being able to visualize and control the system. In the future, we propose to spray a resin mixed with a fluorescent dye to make it possible to distinguish the polymerized zones from the uncured zones in each layer of the part