A multiscale and multifunctional design method for mesoscale lattice structures fabricated by additive manufacturing processes

Mesoscale lattice structures with different desired physical properties are promising for a broad spectrum of applications. However, intricate geometric features of these structures are usually difficult to be directly fabricated by traditional manufacturing processes. The availability of Additive Manufacturing (AM) technology has significantly relaxed the fabricating limitation of mesoscale lattice structures. It enables the fabrication of the tailored heterogeneous lattice structures which generally show a better performance than its homogeneous counterpart. However, the lack of suitable design methods and tools for heterogeneous lattice structures seriously hinders its wide application. In this thesis, a general multiscale and multifunctional design methodology is presented to solve the issue mentioned above. This proposed design methodology aims to help designers to take advantages of multiscale design freedom provided by existing AM technologies. The general design flow of the proposed design methodology can be divided into three major design stages: initial design, design optimization and multiscale geometric modeling. In the first design stage, detailed design steps and their related design guidelines are developed to help designers to build the initial design space. Based on this design space, three different optimization methods are proposed, which can find the optimal design parameters for desired functional performance. At the end, the proposed multiscale geometric modeling method can be applied to construct the geometric model of optimized structures which can be directly fabricated by AM processes. This novel design methodology has been implemented in a computer-aided design tool. A design case has been conducted using this computer-aided design tool to validate the efficiency of the proposed design methodology. This proposed design methodology lays a foundation for the wide applications of mesoscale lattice structures fabricated by AM processes.Les structures en treillis de méso-échelle avec différentes propriétés physiques souhaitées sont prometteuses pour un large éventail d'applications. Cependant, les caractéristiques géométriques complexes de ces structures sont généralement difficiles à fabriquer directement par les procédés de fabrication traditionnels. La disponibilité de la technologie de fabrication additive a considérablement réduit la limitation de la fabrication des structures en treillis de méso-échelle. Elle permet la fabrication de structures en treillis hétérogènes sur mesure qui performent généralement mieux que leur homologue homogène. Cependant, le manque de méthodes et d'outils de conception appropriés pour les structures de treillis hétérogènes entrave gravement sa large application.Dans cette thèse, une méthodologie générale de conception multiscalaire et multifonctionnelle est présentée pour résoudre le problème mentionné ci-dessus. Cette méthodologie de conception proposée vise à aider les concepteurs à tirer profit des avantages de la liberté de conception multiscalaire qui vient avec les technologies de fabrication additive existantes. La démarche générale de la méthodologie de conception proposée peut être divisée en trois grands stades: conception initiale, optimisation de conception et modélisation géométrique multiscalaire. Au premier stade de la conception, des étapes de conception détaillées et leurs directives de conception connexes sont développées pour aider les concepteurs à construire l'espace de conception initial. En se basant sur cet espace de conception, trois méthodes d'optimisation différentes sont proposées, ce qui permet de trouver les paramètres de conception optimum pour les performances fonctionnelles souhaitées. À la fin, la méthode de modélisation géométrique multiscalaire proposée peut être appliquée pour construire le modèle géométrique de structures optimisées qui peuvent être directement fabriquées par des processus de fabrication additive. Cette nouvelle méthodologie de conception a été implémentée dans un outil de conception assisté par ordinateur. Plusieurs cas de conception ont été menés à l'aide de cet outil (conception assistée par ordinateur) pour valider l'efficacité de la méthodologie de conception proposée. Cette méthodologie de conception proposée établit une base pour les applications étendues des structures de treillis de méso-échelle fabriquées par des procédés de fabrication additive