Thèse Fabrication Additive et Assemblage Hybrides de Structures Thermoplastiques Fonctionnelles par Métallisation par Projection à Froid H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National Polytechnique de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : LGP - Laboratoire Génie de Production Direction de la thèse : Benoît COSSON ORCID 0000000310012497 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-16T23:59:59 L'industrie aéronautique recherche de plus en plus des structures à la fois légères, durables et multifonctionnelles, capables de combiner des procédés de fabrication efficaces avec une meilleure durabilité et une surveillance en temps réel de leur état. Les composites thermoplastiques hautes performances sont particulièrement prometteurs grâce à leur aptitude au soudage, à la réparation et au recyclage. Cependant, les approches actuelles de fabrication considèrent généralement l'assemblage structural et la fonction de détection comme deux opérations distinctes, nécessitant des composants et des étapes d'assemblage supplémentaires.
Ce projet propose une nouvelle approche hybride combinant la métallisation par projection à froid et le soudage laser par transmission afin de créer des assemblages thermoplastiques multifonctionnels. Des réseaux de particules métalliques déposés par projection à froid sont conçus pour assurer simultanément le rôle d'intercouches actives pour le laser, d'interfaces d'assemblage structural et de capteurs de déformation intégrés.
L'approche proposée vise à exploiter les propriétés optiques et électriques de l'architecture métallique afin de contrôler localement le dépôt d'énergie lors du soudage laser, tout en permettant le suivi *in situ* des déformations mécaniques et de l'endommagement. Les travaux de recherche porteront sur l'étude des relations entre les paramètres de projection à froid, la morphologie du dépôt, la conductivité électrique, la sensibilité à la déformation et l'adhésion interfaciale, ainsi que sur l'influence du soudage laser sur la microstructure et les propriétés fonctionnelles des réseaux métalliques déposés.
Les investigations expérimentales seront complétées par une modélisation multiphysique permettant de décrire les phénomènes couplés optiques, thermiques, mécaniques et électriques intervenant au sein de l'interface multifonctionnelle. L'objectif final est d'établir des règles de conception pour des structures thermoplastiques intelligentes assemblées par soudage laser, capables de combiner performances mécaniques et surveillance intégrée de l'état structural, avec des applications potentielles dans le domaine aéronautique et d'autres secteurs industriels de haute technologie.
The aerospace and space industries require more sustainable, lightweight, repairable, and multifunctional structures. High-performance thermoplastic composites are promising materials due to their weldability and recyclability, while structural health monitoring can improve safety and service life. This project proposes a hybrid manufacturing approach combining cold spray metallization and laser transmission welding to transform the joining interface into a multifunctional structure providing mechanical joining, laser energy absorption, and integrated strain sensing.
The objectives of the project are to establish the scientific foundations for multifunctional thermoplastic assemblies in which cold-sprayed metallic architectures simultaneously act as laser-active welding interlayers and embedded strain sensors, with a focus on high-performance thermoplastic structures for future aerospace applications.

The first objective is to establish the relationships between cold spray process parameters, coating morphology, interfacial adhesion mechanisms, electrical conductivity, and electromechanical sensing properties in order to develop self structural health monitoring.

The second objective is to understand the interactions between cold-sprayed metallic architectures and laser transmission welding by determining how metallic coatings influence laser absorption, heat generation, temperature distribution, crystallisation, interfacial consolidation, and weld formation. The aim is to establish a processing window that ensures high joint strength while preserving the functionality of the embedded sensors, supported by a coupled thermo-optical numerical model experimentally validated.

The third objective is to design multifunctional welded interfaces capable of simultaneously providing laser energy absorption, structural load transfer, and strain-sensing functionality. This objective will establish relationships between interlayer architecture, metallic track geometry, coating thickness, particle packing density, sensor positioning, welding conditions, and the resulting mechanical and sensing performance.

The fourth objective is to demonstrate the structural health monitoring capabilities of these multifunctional interfaces by establishing quantitative relationships between electrical signals measured by the embedded cold-sprayed sensors and the mechanical state of the welded structure. The project will investigate static and cyclic loading in order to develop physics-based models capable of detecting damage initiation and predicting early-stage degradation before macroscopic failure.
The project will combine experimental investigation, advanced material characterization, thermo-optical modelling, laser welding, and electromechanical testing. Cold-sprayed metallic architectures will first be developed and optimized by controlling deposition parameters, particle characteristics, coating morphology, and interfacial adhesion. Their electrical and strain-sensing properties will then be characterized.

The optimized metallic architectures will subsequently be integrated into laser transmission-welded thermoplastic assemblies. Optical, thermal, and microstructural analyses will be used to understand laser absorption, heat generation, temperature evolution, crystallisation, and interfacial consolidation. A coupled thermo-optical finite-element model will be developed and experimentally validated to identify the appropriate welding process window.

Finally, the multifunctional interfaces will be assessed through mechanical, fatigue, electrical, thermal, and environmental tests. The experimental data will be correlated with numerical simulations to establish design rules and physics-based models linking electrical resistance, strain, damage initiation, and crack propagation, ultimately demonstrating integrated structural health monitoring.

Master dans le domaine de la mécanique ou des matériaux.
Connaissance des outils numériques de simulation par éléments finis.

• Soudage
• Logiciels bureautiques
• Chimie