Microstructures procedurales et stochastiques pour la fabrication fonctionnelle – MuFFin

Inspiré par les solides procéduraux en infographie, MuFFin a proposé d'aller au-delà des pavages périodiques en étudiant des mousses procédurales, stochastiques et manufacturables au comportement élastique macroscopique contrôlé. Une géométrie procédurale est définie comme une fonction implicite évaluée en tout point de l'espace à la résolution souhaitée. Elle ne nécessite pas de stockage explicite de la géométrie en mémoire. La géométrie stochastique facilite la gradation des propriétés des matériaux et leur conformité à une surface. Comparée aux structures périodiques, l'absence d'organisation globale et de périodicité permet une meilleure gradation de la géométrie stochastique. L'absence de régularité offre une approche simple pour graduer leur géométrie – et donc leurs propriétés mécaniques – au sein d'un objet cible et de sa surface. De plus, MuFFin visait à contrôler le comportement élastique macroscopique en reliant les paramètres pilotant la mousse procédurale à ses propriétés élastiques. Enfin, MuFFin visait à découvrir des microstructures pouvant être fabriquées avec un large spectre de technologies (SLS, FDM, SLA, etc.) sans nécessiter de structures de support.

A sa connaissance, l’équipe du projet a introduit la première classe de mousses qui peuvent être fabriquées par dépôt de filaments. Pour ce faire, la distance euclidienne a été remplacée par une classe de distances polyédriques afin de garantir que les faces du diagramme de Voronoi 3D de tout ensemble de points définissent une structure géométriquement autoportante. Son utilité a également été démontrée pour modifier radicalement la cinématique d'un robot souple, avec l’introduction des matériaux 2D/3D basés sur un processus de croissance piloté par une nouvelle classe de distance en étoile. De manière remarquable, la gradation de la géométrie est implicitement contrôlée par la distance, contrairement à la plupart des méthodes existantes qui traitent la gradation de manière explicite. Enfin, un bruit procédural a été introduit pour les motifs anisotropes à fort contraste, bien adapté à la production de mousses mécaniques. Cette technique a été intégrée par des logiciels de rendu (par exemple, RenderMan de Pixar) et utilisée dans certains rendus de Star Wars Episode IX.

/

Efremov, S.; Martínez, J.; Lefebvre, S. 3D Periodic Cellular Materials with Tailored Symmetry and Implicit Grading. Computer-Aided Design (Proc. SPM). 2021, 140.

Tricard, T.; Tavernier, V.; Zanni, C.; Martínez, J.; Hugron, P.-A.; Neyret, F.; Lefebvre, S. Freely orientable microstructures for designing deformable 3D prints. ACM Trans. Graph. (Proc. SIGGRAPH Asia). 2020, 39(6).

Martínez, J.; Skouras, M.; Schumacher, C.; Hornus, S.; Lefebvre, S.; Thomaszewski, B. Star-Shaped Metrics for Mechanical Metamaterial Design. ACM Trans. Graph. (Proc. SIGGRAPH). 2019, 38(4).

Martínez, J.; Hornus, S.; Song, H.; Lefebvre, S. Polyhedral Voronoi diagrams for Additive Manufacturing. ACM Trans. Graph. (Proc. SIGGRAPH). 2018, 37(4).

MuFFin a pour objectif d'établir une approche unifiée pour la synthèse, la visualisation et la modélisation efficace de micro-structures avec propriétés mécaniques contrôlables, dans le contexte de la fabrication additive. MuFFin est un effort inter-disciplinaire combinant des méthodologies en sciences informatiques et sciences des matériaux pour proposer une approche efficace du point de vue calculatoire, tout en produisant des micro-structures aux propriétés physiques contrôlées et vérifiables.

La fabrication additive permet de fabriquer des structures à l'échelle de quelques microns, autorisant ainsi à modifier le comportement à grande échelle des objets. Ceci rend possible une large gamme d'applications industrielles en permettant de concevoir des matériaux optimisés pour des propriétés spécifiques. Les applications concernant la modélisation de pièces remplies de microstructures afin de les alléger tout en préservant leur rigidité, ou bien pour permettre l'absorption d'impacts, sont particulièrement prometteuses.

Les micro-structures vont avoir un rôle décisif dans l'usine du futur, mais de nombreux défis restent à relever. La taille des objets fabriqués augmente sans cesse alors même que la résolution des procédés devient de plus en plus fine. En conséquence la quantité de géométrie à traiter pour les micro-structures croit exponentiellement. Du point de vue calculatoire, stocker entièrement la géométrie des micro-structures (e.g. dans un fichier STL) rendra inutilisable la chaine de traitement numérique aujourd'hui en place (simulation, visualisation, modélisation). Du point de vue des sciences de matériaux, il reste très difficile de remplir des formes avec des micro-structures tout en produisant des gradients internes de propriétés mécaniques, et en assurant la compatibilité de leur géométrie avec les contraintes des procédés de fabrication additive.

Les méthodes de l'état de l'art considèrent essentiellement des micro-structures périodiques, dont la répétition permet de réduire les couts de stockage, d'affichage et de simulation. Cependant, la répétition périodique entraine de nombreuses difficultés lorsqu'il s'agit de faire varier les propriétés des structures a l'intérieur d'une forme, notamment lorsque ces propriétés sont anisotropes et suivent des champs de vecteurs quelconques.

MuFFin a pour objectif de répondre à ces défis pluridisciplinaires avec une nouvelle approche basée sur des micro-structures procédurales, stochastiques, qui répondent aux contraintes des procédés, et dont le comportement à grande échelle est prévisible et contrôlable. Grâce à cette formulation procédurale, MuFFin saura répondre à l'accroissement de la taille des pièces et de la précision des procédés. L'aspect stochastique des micro-structures rend simple et direct les variations de propriétés a l'intérieur des pièces, évitant ainsi les limitations des approches périodiques.