Procedural noises for the design of small-scale structures in Additive Manufacturing

Bruits procéduraux pour la conception de micro-structures en fabrication additive La démocratisation de la fabrication additive a suscité un regain d'intérêt pour ses applications potentielles. Parmi celles-ci, la possibilité d'imprimer des structures à petite échelle est particulièrement prometteuse. La géométrie des structures internes à petite échelle influence directement les propriétés physiques des pièces finales. Ainsi, la découverte de nouvelles structures à petite échelle produisant des propriétés cibles spécifiques élargit les possibilités offertes aux utilisateurs de la fabrication additive, ce qui ouvre la voie à de nouvelles applications potentielles en soft-robotique, pour la conception de prothèses et d'orthèses, et pour l'ingénierie mécanique en général. Toutefois, pour être utiles, ces structures à petite échelle doivent permettre de contrôler les propriétés qu'elles déclenchent - et de les faire varier dans l'espace- afin d'adapter leur comportement à l'intention de l'utilisateur. Il est intéressant de noter que ce type de contrôle spatial des propriétés a été largement étudié en informatique graphique, en particulier pour la synthèse de textures. L'objectif de cette thèse est de permettre le même type de contrôle spatial que celui obtenu par les méthodes de synthèse de textures, pour la synthèse de structures à petite échelle dans la fabrication additive. En particulier, je me suis concentré sur la définition de structures à petite échelle fortement orientées. Celles-ci déclenchent des propriétés extrêmement anisotropes dans les pièces, un type de comportement qui n'a pas été approfondi dans les travaux antérieurs. Pour y parvenir, j'ai proposé de revisiter les formulations procédurales développées pour la synthèse de textures en informatique graphique, où chaque sous-partie d'un motif peut être calculée indépendamment, en suivant uniquement les informations locales. J'ai appliqué avec succès cette approche à la génération de structures complexes et orientées à petite échelle dans de grands volumes. Ma première contribution est une nouvelle approche pour synthétiser efficacement des motifs oscillants fortement contrastés, qui permet de suivre de près les champs de propriétés tels que l'orientation et la densité tout en étant calculés localement. J'ai démontré cette approche pour des applications de placage de textures ainsi que pour la synthèse de motifs fortement orientés, fortement orientées, anisotropes et multi-matériaux à petite échelle. Cette première méthode génère des motifs qui présentent des défauts locaux,et par conséquent, ma deuxième contribution a étendu ce travail pour formuler une technique de régularisation efficace et peu coûteuse qui rectifie les oscillations. Cela a conduit à la synthèse de structures autoportantes librement orientables qui peuvent être utilisées pour produire des déformations programmées dans des objets imprimés en 3D. Ma troisième contribution explore comment utiliser une approche similaire pour définir des trajectoires dans des pièces imprimées en 3D entièrement remplies, sous des objectifs d'orientation. En ajustant la phase des oscillations, nous sommes en mesure de rompre les alignements spatiaux le long de la direction de construction qui, autrement, entraîneraient des faiblesses locales dans les pièces produites.