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Theses Year : 2020

Design for additive manufacturing of microwave waveguide components

Conception pour la fabrication additive, par fusion laser sur lit de poudre, de composants hyperfrequences

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Abstract

For many years, passive microwave waveguide components have been used in communication systems, particularly for antenna feed chains. This kind of radiofrequency equipment is already widely operational in various fields such as satellite communications, radars, space observations, etc. Because of their low loss as well as their high energy management capacity. However, the emergence of new technologies and the significant degree of competition that occurs within the defense market, customers are increasingly calling for lower-cost products, shorter lead times, with requirements equally high.Over the past years, several institutions and industries have become more and more interested in additive manufacturing processes for passive waveguide components. Without any need for raw material or dedicated tools, additive technologies bring some new design perspectives. In particular, the addition of material layer by layer promotes the manufacture of monolithic parts, which would contribute to lighten the weight of antennas and save time and costs. On the other hand, it offers additional degrees of freedom during the design stage, encouraging the development of complex and innovative architectures, resulting in increased performance, which would be unachievable by conventional techniques. As such, additive manufacturing has been identified as being able to play a crucial role in the development of this type of part.However, like any other manufacturing process, additive processes involve several physical phenomena and so have their own manufacturing specificities and constraints to consider during the design phase to benefit fully from all the potential of additive manufacturing. Combined with the microwave requirements, the designer must then be able to identify the correlation between design, process and electromagnetic to guarantee a quality part conforming to the specifications.The objective of this study is twofold. The first one consists of identifying the specificities of the laser beam melting process with a major influence on electromagnetic properties, in order to be able to pay special attention during the design phase. The second concerns the development of a method that incorporates the constraints and opportunities of additive manufacturing while meeting the objectives arising from the microwave specifications.
Pendant de nombreuses années, les composants passifs hyperfréquences ont été utilisés dans des systèmes de communication notamment pour des chaînes d'alimentation d'antenne. Ce type d'équipement radiofréquence est déjà largement opérationnel dans différents domaines tels que les communications satellite, les radars, les observations spatiales etc. en raison de leurs avantages de faibles pertes ainsi que de leur capacité élevée de gestion d'énergie. Seulement, avec l'émergence de nouvelles technologies et une concurrence considérable sur le marché de la défense, les clients sont de plus en plus demandeurs de produits de moins en moins coûteux avec des délais d’obtention toujours plus courts, avec des exigences liées aux performances toutes aussi élevées.Ces dernières années, plusieurs institutions et industries se sont intéressées de plus en plus aux procédés de fabrication additive pour les composants à propagation guidée. Ne nécessitant pas de brut de matière ni d'outillage dédié, les technologies additives apportent de nouvelles perspectives de conception. En particulier, l'ajout de matière couche par couche autorise la fabrication de pièces monolithiques, qui permettraient d'alléger les équipements et de réaliser des économies de temps et de coûts. D'autre part, l'une des plus grandes promesses de la fabrication additive réside dans les degrés de liberté supplémentaires qu'elle offre en conception, permettant de concevoir des architectures complexes et innovantes aux performances accrues, qui seraient irréalisables par des techniques conventionnelles. A ce titre, la fabrication additive a été identifiée comme pouvant jouer un rôle crucial dans le développement de ce type de pièce.Cependant, comme tout procédé de fabrication, les procédés additifs possèdent leurs propres spécificités et contraintes liées aux phénomènes physiques mis en jeu au cours de la fabrication et dont il est nécessaire de tenir compte au cours de la phase de conception pour tirer pleinement profit des avantages qu'ils offrent. Ajoutées aux exigences hyperfréquences, le concepteur doit alors être en capacité d'identifier les liens qui existent entre les domaines de la conception, du procédé et électromagnétique pour garantir une pièce de qualité conforme au cahier des charges.L'objectif de ces travaux de thèse est double. Le premier consiste à identifier les spécificités du procédé de fusion laser sur lit de poudre qui influent majoritairement sur les performances électromagnétiques, de manière à y apporter une attention particulière en phase de conception. Le second porte sur l'élaboration d'une méthode qui intègre les contraintes et opportunités de la fabrication additive tout en répondant aux objectifs, globaux et locaux, issus du cahier des charges hyperfréquences de manière à fabriquer des composants opérationnels.
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Dates and versions

tel-03041563 , version 1 (05-12-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03041563 , version 1

Cite

Mathieu François. Conception pour la fabrication additive, par fusion laser sur lit de poudre, de composants hyperfrequences. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. HESAM Université, 2020. Français. ⟨NNT : 2020HESAE008⟩. ⟨tel-03041563⟩
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