Les machines de fabrication additive métallique actuelles sont dispendieuses et généralement peu productives. De plus, la plupart des pièces issues de la fabrication additive doivent être usinées après l’impression pour obtenir de bonnes tolérances géométriques. L’objectif de ce projet de recherche est de développer un système de fabrication additive hybride pouvant remplacer les machines d’usinage traditionnelles. Les systèmes hybrides combinent les avantages de la fabrication additive et de l’usinage dans un seul système. Ce mémoire présente le développement et la mise en service d’un système de fabrication additive hybride formant des pièces en aluminium à partir d’un filament d’Al4043. Ce système utilise une technologie innovatrice qui se base sur le principe de chauffage par induction. Le filament est fondu directement par induction à l’intérieur d’un tube, puis un flux d’argon permet à l’aluminium en fusion de s’éjecter du tube. Cette méthode permet de faire des préformes en aluminium qui peuvent être usinées afin d’obtenir une pièce finale. Cette technologie permettrait de fabriquer une machine hybride à faible coût tout en ayant un taux de déposition élevé. Le système a été installé sur un bras robotisé FANUC. Les résultats préliminaires démontrent qu’il est possible de générer des gouttelettes d’aluminium de manière contrôlée en pulsant le débit d’argon grâce à une valve. Les gouttelettes sont générées à chaque pulse puis sont projetées sur un substrat en suivant une trajectoire précise. L’accumulation des gouttelettes formera une couche d’aluminium, puis les couches seront empilées pour former une pièce. Des pièces en aluminium ont été mises en forme grâce à ce nouveau procédé de fabrication additive. Le volume des pièces pouvant être imprimées est limité par la perte d’efficacité du système de chauffage par induction après plusieurs minutes d’utilisation. La densité apparente la plus élevée obtenue avec ce système est de 84%. / Les machines de fabrication additive métallique actuelles sont dispendieuses et généralement peu productives. De plus, la plupart des pièces issues de la fabrication additive doivent être usinées après l’impression pour obtenir de bonnes tolérances géométriques. L’objectif de ce projet de recherche est de développer un système de fabrication additive hybride pouvant remplacer les machines d’usinage traditionnelles. Les systèmes hybrides combinent les avantages de la fabrication additive et de l’usinage dans un seul système. Ce mémoire présente le développement et la mise en service d’un système de fabrication additive hybride formant des pièces en aluminium à partir d’un filament d’Al4043. Ce système utilise une technologie innovatrice qui se base sur le principe de chauffage par induction. Le filament est fondu directement par induction à l’intérieur d’un tube, puis un flux d’argon permet à l’aluminium en fusion de s’éjecter du tube. Cette méthode permet de faire des préformes en aluminium qui peuvent être usinées afin d’obtenir une pièce finale. Cette technologie permettrait de fabriquer une machine hybride à faible coût tout en ayant un taux de déposition élevé. Le système a été installé sur un bras robotisé FANUC. Les résultats préliminaires démontrent qu’il est possible de générer des gouttelettes d’aluminium de manière contrôlée en pulsant le débit d’argon grâce à une valve. Les gouttelettes sont générées à chaque pulse puis sont projetées sur un substrat en suivant une trajectoire précise. L’accumulation des gouttelettes formera une couche d’aluminium, puis les couches seront empilées pour former une pièce. Des pièces en aluminium ont été mises en forme grâce à ce nouveau procédé de fabrication additive. Le volume des pièces pouvant être imprimées est limité par la perte d’efficacité du système de chauffage par induction après plusieurs minutes d’utilisation. La densité apparente la plus élevée obtenue avec ce système est de 84%. / Current metal additive manufacturing machines are expensive and generally unproductive. In addition, the majority of parts from additive manufacturing must be machined after printing to achieve good geometric tolerances. The objective of this research project is to develop a hybrid additive manufacturing system that can replace traditional machining machines. Hybrid systems combine the benefits of additive manufacturing and machining into a single system. This thesis presents the development and usage of a hybrid additive manufacturing system that can form aluminum parts from a Al4043 filament. The system presented in this thesis uses an innovative technology that is based on the principle of induction heating. The filament is melted directly by induction inside a tube, then a flow of argon allows the molten aluminum to eject from the tube. This method makes aluminum preforms that can be machined to obtain a final piece. With this technology, it could be possible to manufacture a hybrid machine at low cost while having a high deposition rate. The system was installed on a FANUC robotic arm. Preliminary results demonstrate that it is possible to generate aluminum droplets in a controlled manner by pulsing the argon flow through a valve. The droplets are generated at each pulse and are projected onto a substrate along a precise trajectory. The accumulation of droplets will form a layer of aluminum, then the layers will be stacked to form a part. Aluminum parts have been shaped by this new additive manufacturing process. The volume of parts that can be printed is limited by the loss of efficiency of the induction heating system after several minutes of use. The highest bulk density obtained with this system is 84%. / Current metal additive manufacturing machines are expensive and generally unproductive. In addition, the majority of parts from additive manufacturing must be machined after printing to achieve good geometric tolerances. The objective of this research project is to develop a hybrid additive manufacturing system that can replace traditional machining machines. Hybrid systems combine the benefits of additive manufacturing and machining into a single system. This thesis presents the development and usage of a hybrid additive manufacturing system that can form aluminum parts from a Al4043 filament. The system presented in this thesis uses an innovative technology that is based on the principle of induction heating. The filament is melted directly by induction inside a tube, then a flow of argon allows the molten aluminum to eject from the tube. This method makes aluminum preforms that can be machined to obtain a final piece. With this technology, it could be possible to manufacture a hybrid machine at low cost while having a high deposition rate. The system was installed on a FANUC robotic arm. Preliminary results demonstrate that it is possible to generate aluminum droplets in a controlled manner by pulsing the argon flow through a valve. The droplets are generated at each pulse and are projected onto a substrate along a precise trajectory. The accumulation of droplets will form a layer of aluminum, then the layers will be stacked to form a part. Aluminum parts have been shaped by this new additive manufacturing process. The volume of parts that can be printed is limited by the loss of efficiency of the induction heating system after several minutes of use. The highest bulk density obtained with this system is 84%.

L'action d'un champ magnétique variable sur une couche mince de métal liquide est étudiée d'un point de vue expérimental et théorique. Dans le chapitre I, le dispositif expérimental est décrit. Une étude expérimentale est ensuite menée où l'on souligne la différence de comportement entre une nappe épaisse de métal liquide et une nappe mince. En effet, si le dispositif est axisymétrique en l'absence de champ magnétique, cette symétrie est conservée dans le cas d'une nappe épaisse, lorsque l'on applique un champ magnétique. En revanche, la symétrie est rompue dans le cas d'une nappe mince de métal liquide. A champ inducteur donné, les formes que prend la nappe aussi bien dans le cas d'une nappe mince que d'une nappe épaisse sont des états d'équilibres stables. L'objectif principal de cette thèse est d'expliquer les équilibres stables de la nappe mince en se basant sur une méthode de minimum d'énergie. Le chapitre II présente la formulation magnétique du problème ainsi que le bilan énergétique qui en découle. Le chapitre III traite des méthodes de calcul choisies pour la résolution de notre modèle et pour la validation d'hypothèse. Deux méthodes de résolution numérique y sont décrites, l'une est la méthode des éléments finis et l'autre la méthode des intégrales de frontières. Le dernier chapitre présente les résultats obtenus par la résolution du modèle magnétique, ces résultats de simulation sont ensuite comparés aux résultats expérimentaux.

Le phénomène d'induction est découvert par le danois Hans Christian Oersted en 1820. Celui-ci constate qu'un courant traversant un fil à proximité d'une boussole dévie l'aiguille de cette boussole. De nombreuses expériences et théories sont proposées jusqu'en 1821 où l'anglais Michael Faraday crée le premier moteur électrique. Dix ans plus tard, grâce à des travaux américains sur les bobines de cuivre, Faraday crée les prémices de l'alternateur et c'est ainsi qu'il devient le père de l'électromagnétisme. Ces travaux sont la base de la première machine électrique à induction en 1832, par André-Marie Ampère et de la loi énoncée en 1833 par Heinrich Lenz qui précise le sens du courant induit dans la seconde bobine. Ce n'est qu'en 1841 que James Prescott Joule énonce la loi portant son nom après avoir observé le phénomène sur de l'eau dans laquelle passait un conducteur. Le chauffage par induction est une application directe de deux lois physiques, la loi de Lenz et l'effet Joule : tout corps conducteur d'électricité plongé dans un champ magnétique variable voit apparaître des courants induits à l'intérieur qui échauffent la pièce par effet Joule. L''induction se veut être la meilleure technologie disponible de chauffage de solides dans les industries agro-alimentaires et en métallurgie (traitement thermique des métaux et fusion). Cette technique recèle encore des possibilités importantes de progrès technologiques. Ainsi le concept " d'inducteur universel " qui vise à développer des couples générateurs / inducteurs permettant une plus grande adaptabilité à la charge, rend les équipements beaucoup plus génériques, donc moins chers et aptes à de nouvelles applications. Ce travail de recherche s'inscrit dans le projet ISIS, Innovative Solution for Induction System, financé par l'Agence Nationale de la Recherche pour tenter de répondre à la problématique proposée par le programme Efficacité Energétique et réduction des émissions de CO 2 dans les Systèmes Industriels (EESI). Ce projet rassemble 7 partenaires : EDF R&D, FIVES-CELES, ATYS Consultants, ARMINES-CEP, CNRS-CRISMAT, CNRS-SIMAP, et nous-mêmes INPT-LAPLACE. Par ailleurs, le paquet énergie-climat adopté par l'Union Européenne le 23 janvier 2008 fixe comme objectif une amélioration de 20% de l'efficacité énergétique et de la réduction des émissions de CO 2 à l'horizon 2020. L'industrie consomme actuellement près de 28 % de la production énergétique totale en France et représente environ 23 % des émissions de CO 2 , soit 30 Mt/an [48][49]. Près de 70 % de l'énergie finale, consommée par le secteur industriel, est destinée à couvrir des besoins de chaleur. Le gisement potentiel d'économies d'énergie dans le secteur industriel est estimé à 20 % de l'énergie consommée. Dans ce contexte, le programme EESI a pour objectif de pouvoir conjointement améliorer l'efficacité énergétique industrielle et réduire les émissions de CO 2 [47]. Le projet ISIS vise à favoriser la pénétration de l'induction dans les différents secteurs industriels où elle peut s'avérer particulièrement performante. Le travail aborde trois angles complémentaires : - La recherche technico-économique des potentiels de pénétration de la technique de chauffage par induction, - L'amélioration des performances de la conversion électrothermique des équipements de chauffage par induction, - La récupération de l'énergie fatalement perdue et sa réutilisation de préférence dans la ligne de fabrication. Avec la participation de EDF R&D et FIVES-CELES, nous sommes en charge de la tâche n°2 de ce projet qui cherche à concevoir et mettre en œuvre une alimentation multi-bobines auto- adaptative. Tout d'abord, le développement d'un système multi-inducteurs doit permettre d'assurer un chauffage multi-zones. Différentes solutions, mécaniques ou électriques, sont aujourd'hui candidates pour assurer la souplesse d'utilisation requise pour s'adapter à des charges différentes par les produits à chauffer ou leurs dimensions. Ce travail s'inscrit dans une thématique de recherche plus large du groupe CODIASE du LAPLACE, qui vise à définir des méthodes de commande d'actionneurs (ici des inducteurs) couplés. Des travaux antérieurs menés au sein de l'entreprise EDF R&D ont mené vers la réalisation d'un prototype de chauffage de plaque fine à trois inducteurs sur lequel des études théoriques et expérimentales ont montré la possibilité de maîtriser la température de la pièce par la maîtrise des courants à l'intérieur des inducteurs. Nos travaux cherchent donc à asservir ces courants, en amplitude et en phase, à une référence optimisée, en vue d'une maîtrise de la température à la surface de la tôle, malgré les couplages entre les inducteurs et entre les inducteurs et la tôle, malgré les variations paramétriques dues à la température et/ou une erreur d'identification des paramètres du système. Nous les présentons ici en trois grandes étapes. La première d'entre elles modélise le système d'un point de vue électrique selon trois représentations différentes. Elle propose également une amélioration de l'optimisation des courants dans les inducteurs à partir de [8], en intégrant désormais une dimension multi-critères avec recherche d'amélioration de l'efficacité énergétique par la commande, basée notamment sur l'évaluation des pertes. Dans un second temps, nous proposons des outils permettant une validation théorique et semi- expérimentale des lois de commande qui sont mises en place. Pour ce faire, nous avons construit un simulateur analogique émulant le comportement des grandeurs électriques du système, commandé par une carte dSPACE. Nous proposons également un schéma de principe d'une commande rapprochée, étape indispensable et moins évidente qu'il n'y paraît de prime abord, pour passer des grandeurs de commande en sortie des correcteurs résonants aux ordres de commande des interrupteurs des onduleurs à résonance. Enfin, le dernier chapitre traite de la synthèse en discret de deux lois de commande que nous proposons comme solution aux problèmes, un retour d'état et des correcteurs résonants. Différentes simulations et applications au simulateur analogique ainsi que des premiers résultats expérimentaux sur la maquette EDF de 30 kVA sont présentés.

Le chauffage par induction est un procédé qui consiste à plonger un matériau conducteur d'électricité dans un champ magnétique variable, ayant ainsi pour effet, la création de FEM donc de courants de Foucault dont la circulation élève la température du matériau par effet Joule. Ce mode de chauffage est déjà implanté industriellement dans de nombreux secteurs parmi lesquels des fonderies et s'intègre bien dans les processus de traitement des matériaux en raison de ses divers avantages. Il permet notamment, l'atteinte de densités de puissances très élevées dont la distribution peut être contrôlée. Il est ainsi possible d'obtenir des chauffages localisés ou de l'ensemble du matériau suivant le traitement désiré. Cette souplesse du contrôle des profils de chauffe et une forte puissance de chauffe requièrent traditionnellement l'usage de systèmes comportant plusieurs bobines. Leur caractérisation aussi précise que possible et le contrôle des courants des inducteurs sont nécessaires. L'étude présentée ici recense dans un premier temps, les quelques solutions existantes dont la puissance est réglée en déplaçant des culasses et/ou des écrans magnétiques, permettant de mieux répartir les champs magnétiques produits, afin de disposer du profil de chauffe souhaité mais pour une faible gamme de tôles. Les rares solutions qui s'intéressent au contrôle électrique sont orientés vers du chauffage monophasé. La transposition directe de ces commandes aux cas multi-bobines ne suffit pas à résoudre le problème dans son intégralité car les inducteurs se perturbent mutuellement. Nous nous sommes donc orientés vers une solution ambitieuse qui permet de s'affranchir de pièces mobiles et rend le système plus fiable, plus précis et lui confère plus de souplesse pour s'adapter à différents profils de chauffe et différentes largeurs de matériaux. Cette solution se base sur une méthode qui consiste à contrôler les profils de chauffe par la seule action sur les courants d'alimentation des inducteurs tout en maitrisant les échanges d'énergie entre les inducteurs fortement couplés. Cette solution est appliquée sur un prototype construit par EDF. Dans un premier temps, nous avons modélisé le système dans son ensemble tant du point de vue électrique et magnétique que thermique, afin de disposer d'un modèle global simplifié qui permet de mieux en étudier le comportement. Une procédure d'optimisation permet de générer les amplitudes et les phases des courants inducteurs pour différents profils de chauffe. Après une étape d'identification paramétrique, nous avons défini et implanté un modèle simplifié dans le logiciel PSim, qui nous fournit des délais de simulation relativement courts. Les résultats obtenus ont été ensuite comparés à des expérimentations en boucle ouverte tout d'abord, qui nous ont conduits à une étude de sensibilité des grandeurs du système aux variations paramétriques. Il nous a été possible de commander le système grâce à un FPGA dans lequel nous avons implanté une commande numérique pour le contrôle des courants des inducteurs en vue du chauffage en statique d'un disque de tôle pour différents profils de consigne. Nous avons ensuite amélioré nos modèles dans différentes directions, par la prise en compte du rayonnement et de la conduction thermique, en les transposant à un système plus complexe à six phases et avec une prise en compte du défilé des matériaux. L'extension du principe de l'induction multi-bobines de 3 à 6 phases a révélé de fortes perturbations harmoniques des courants des inducteurs. Notre travail a permis de maîtriser les harmoniques en choisissant judicieusement les angles de commande et de caractériser les pertes dans les onduleurs. / Induction heating is a process that consists in immersing an electrically conductive material in a variable magnetic field, thus having the effect to create FEM and then eddy currents flow which heat up the material by Joule effect. This heating method is already established in many industrial sectors such as smelters and fits well in materials processing due to various advantages. In fact it allows particular achievement with very high power densities whose distribution can be controlled. It is then possible to obtain localized or complete heating subsequent to the desired treatment. This flexibility of temperature profile control and high power heating traditionally require the use of systems with multiple coils. For that, characterization as accurate as possible and currents control of the inductors are needed. As a first step, the present study identifies the few existing solutions whose power adjustment is made by moving magnetic yokes and / or magnetic screens. These adjustments allow a better distribution of magnetic fields produced in order to achieve the desired heating profile, but for a small range of metal sheet. The existing few works interested in electrical control solutions are geared toward single phase heating. Direct transposition of these commands in multi-coil case is not sufficient to solve the problem in its entirety because the coils have mutual influence. We therefore directed towards an ambitious solution that cancels the need of moving parts and makes the system more reliable, more accurate and gives more flexibility for adaption to different heating profiles and material widths. This solution is based on a method of controlling the heating profile by acting on coils currents while mastering the energy exchange between the strongly coupling of the inductors. This solution was applied on a prototype built by EDF. We modeled the whole system considering electrical, magnetic and thermal parts, in order to provide a global simplified model to better study the system behavior. An optimization procedure leads to coils current amplitudes and phase shift calculation for different heating profiles. After a parametric identification step, we defined and implemented a simplified model in PSIM software, which provides relatively short simulation times. The results were then compared to experiments in open loop first and led to a sensitivity analysis of the magnitudes of the system to parametric variations. The system control was made by an FPGA in which we implemented a digital command program for controlling inductors currents. It was thus possible to perform a static metal disc heating with different profiles. We then improved our models in different directions, by taking into account the radiation and heat conduction, transposing them to a more complex system with six phases for moving sheet heating. The extension of the principle of multi-phases induction heating from three to six phases showed high harmonic disturbances of inductors currents. Our work has helped to control harmonics by choosing judicious control angles; we also characterize the inverters losses.

La thermographie par courants de Foucault (ECT) est une méthode de thermographie active. L’excitation inductive génère des courants de Foucault dans les spécimens conducteurs. En présence de défauts, la circulation des courants est affectée par ces discontinuités produisant un changement dans la distribution de la température autour des défauts. Ces changements sont observés avec une caméra infrarouge. Dans ce travail, on présente une application robotique de la thermographie par courants de Foucault. Une interface robotique a été développée et tous les capteurs utilisés ont été intégrés à la plateforme. Des simulations ont été achevées avec COMSOL Multiphysics en variant différents paramètres. Des expériences ont été menées sur plusieurs spécimens (de différents matériaux) avec des défauts de différents types et tailles. La linescan thermographie est principalement étudiée et d’autres modes d’inspections ont été explorés. Les images résultantes sont reconstruites avec un algorithme dédié. Finalement, les résultats de la méthode sont comparés à ceux de la thermographie optique (par halogène) pour montrer les capacités de la méthode. / Eddy current thermography (ECT) is an active thermography method. The inductive excitation generates Eddy currents in electrically-conductive specimen. In a presence of defects, the eddy current flow is affected by these discontinuities leading to changes in the temperature distribution in the specimen around the defects. These changes are observed by an infrared camera. In this work, we present a robotic application of the method. A robotic interface is developed and all the sensors needed are integrated to the platform. Simulations are performed using COMSOL Multiphysics by varying different parameters. Experiments are realised on different specimens (made of different materials) with defects of different sizes. The linescan Eddy current thermography is studied and other modes are explored. The resulting images are reconstructed with a dedicated algorithm. Finally, the method’s results are compared to optical thermography to show the capability of the method.

La première étape de ce travail a consisté à établir, développer et valider un modèle performant pour modéliser les procédés de chauffage par induction, que ce soit en préchauffe ou pour des traitements thermiques. Ce procédé est complexe de par sa nature multi-physique et nécessite le couplage entre des modèles :<br/>- électromagnétique, - thermique, - éventuellement thermo-mécanique.<br/>Le choix du modèle électromagnétique est primordial. De nombreuses approximations basées sur des hypothèses plus ou moins fortes existent.<br/>Nous avons seulement utilisé l'approximation des régimes quasi-permanents. Nous avons vu que cette première approximation, qui revient à négliger le phénomène de propagation des ondes, est valable dans la gamme de fréquences utilisée lors des procédés de chauffage par induction, les plus hautes fréquences étant largement inférieures au mégahertz. La propagation des ondes est alors considérée comme instantanée, ce qui au vu de la taille caractéristique des installations (quelques mètres) par rapport à la célérité de la lumière (3.105 m/s) est tout à fait raisonnable.<br/>En revanche, nous avons choisi d'écarter l'approximation harmonique des champs électromagnétiques. Cette approximation découple les évolutions spatiales et temporelles du champ et revient à calculer une amplitude complexe pour le champ électromagnétique à partir d'une équation stationnaire. L'avantage d'une telle approximation est le gain souvent important en temps de calcul. Seulement, on perd une précision importante sur l'évolution temporelle et sur la déformation des champs électromagnétiques lorsqu'il s'agit d'un matériau ferromagnétique. En effet, les harmoniques secondaires ne sont pas prises en compte. Afin de pouvoir représenter les phénomènes physiques le plus réellement possible, le modèle électromagnétique utilisé est dépendant du temps. Néanmoins, afin de n'être pas trop pénalisant en temps de calcul, des compromis entre la précision des calculs et le temps de calcul nécessaire ont été étudiés. Ils se situent au niveau :<br/>- du nombre de calculs électromagnétiques nécessaires pour bien décrire l'évolution temporelle d'une période électromagnétique, du nombre de périodes électromagnétiques nécessaires pour arriver à une solution stable,<br/>du nombre de calculs électromagnétiques complets nécessaires au cours de l'évolution du champ de température.<br/>Ces points importants, ainsi que des échelles de temps caractéristiques électromagnétiques et thermiques présentant un rapport allant de 10-2 à 10-6 ont nécessité la mise en place d'un couplage faible, basé sur la stabilisation du terme de puissance Joule moyennée sur une période électromagnétique ainsi que sur la stabilisation des paramètres électromagnétiques au cours de la montée en température.<br/>La méthode numérique employée, de type éléments finis, est fiable et robuste. Néanmoins, elle nécessite une bonne compréhension des phénomènes physiques électromagnétiques inhérents au procédé. En effet, modéliser un espace ouvert par une méthode éléments finis nécessite la fermeture du domaine et l'imposition de conditions aux limites artificielles. L'utilisateur doit estimer la taille du domaine étudié qui doit être assez grand pour ne pas venir tronquer les lignes du champ électromagnétique et ainsi les modifier. Son avantage par rapport à une méthode mixte est que la matrice du système est creuse et symétrique. La résolution du problème est facilitée et se prête mieux à des développements en calcul parallèle.<br/>Enfin, une nouvelle stratégie a été développée pour simuler le déplacement de l'inducteur : ses propriétés se déplacent virtuellement dans l'air. Cette méthode a donné de très bons résultats et ne nécessite aucun remaillage.<br/>Les perspectives de recherche sont multiples.<br/>Au niveau des données, le modèle accepte actuellement une tension ou une densité de courant source uniforme dans l'inducteur. Suite à un calcul électromagnétique complet, la répartition de courants est connue dans l'inducteur et permet une évaluation de l'intensité réelle circulant dans les spires. Il serait intéressant de mettre au point un outil de transfert des données électrotechniques vers nos paramètres d'entrées.<br/>Un autre point, plus académique, serait d'effectuer des comparaisons pour des matériaux ferromagnétiques entre un modèle harmonique et le nôtre, dépendant en temps. En effet nous avons vu que ces deux modèles donnent des solutions identiques pour des matériaux amagnétiques. Tout l'intérêt de notre modèle dépendant en temps apparaît par son analyse beaucoup plus riche des matériaux non linéaires. Nous avons vu que le signal périodique peut être grandement déformé et ne ressemble alors plus du tout à une sinusoïde. Néanmoins, il n'est pas forcément évident que la puissance Joule, issue du calcul électromagnétique et obtenue par intégration sur une période électromagnétique, soit très différente de celle obtenue par une analyse harmonique. Cette différence serait très intéressante à quantifier.<br/>Enfin des comparaisons entre les méthodes numériques 'tout' éléments finis et mixtes permettraient de quantifier la précision des méthodes suivant les tailles des éléments finis, les tailles du domaine de fermeture, ainsi que les différences en temps de calculs.<br/>Un autre axe de ce travail a consisté à étudier et à implémenter une stratégie de parallélisation du modèle direct et de la procédure d'optimisation. Nous avons commencé par tester des solveurs itératifs préconditionnés sur nos différents modèles de type parabolique. Ceux ci donnant des résultats satisfaisants par rapport notamment à un solveur direct, nous avons pu nous orienter vers une méthode de parallélisation SPMD de type partitionnement de domaine. Cette méthode, simple et efficace, donne de très bons résultats au niveau du modèle direct, avec une bonne efficacité et une bonne scalabilité.<br/>La parallélisation de l'optimisation montre une efficacité convenable sur deux et quatre processeurs mais qui tend à chuter rapidement avec le nombre de processeurs: la scalabilité est relativement moyenne. Ce problème fait apparaître une thématique de recherche intéressante en calcul parallèle appliqué aux méthodes adjointes: améliorer la scalabilité de l'optimisation parallèle en développant une meilleure stratégie d'accès aux données, en rééquilibrant les données stockées et les données à recalculer.<br/>Enfin les perspectives à plus long terme consisteraient à développer un modèle analogue tridimensionnel.<br/>

Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l'industrie. Au cours des différentes phases de transformation de ces matériaux, un apport de chaleur est souvent nécessaire. Si le renfort est en fibres de carbone, le chauffage par induction peut être avantageux par rapport à d'autres modes de chauffage. Le but de cette thèse est de modéliser en 3D le chauffage par induction de ces matériaux qui sont multi-échelles, hétérogènes et anisotropes. Ces matériaux sont remplacés par des matériaux homogènes équivalents à l'aide de méthodes d'homogénéisation prédictives ou expérimentales. Dans ce cadre, nous avons proposé une méthode expérimentale basée sur la mesure de l'impédance pour déterminer la conductivité électrique. D'autre part, ces matériaux se présentent sous forme de plaque d'épaisseur très faible comparée aux autres dimensions. Deux modèles ont étés mis en place, un modèle éléments coques anisotropes monocouche et un modèle multicouche dédiés aux composites stratifiés à structures orientées. Une confrontation entre les résultats de simulations et les mesures expérimentales a permis de valider les modèles développés. Ces modèles ont été appliqués dans le cadre d'une collaboration industriel.

Tout matériau conducteur électrique exposé à un champ magnétique variable développe des courants de Foucault, donc s'échauffe par effet Joule. La répartition des courants de Foucault dépend de la forme de ce matériau, de celle de l'inducteur, de la fréquence et de l'amplitude du champ, ainsi que des propriétés physiques des matériaux. Le chauffage par induction est une technique bien adaptée aux traitements thermiques en métallurgie. Cependant il est nécessaire de bien dimensionner les inducteurs afin d'avoir un processus optimal. Vu le nombre de paramètres à prendre en compte pour cette étude, il semble adéquat et nécessaire d'avoir recours à des techniques numériques. Dans ce travail, après avoir décrit les phénomènes physiques et principes mathématiques, les méthodes d'analyse numériques adaptées aux problèmes magnétodynamiques et thermiques, on présente un modèle pour le couplage magnéto-thermique appliqué aux problèmes de chauffage par induction pour la trempe superficielle. Ce couplage fait appel aux méthodes intégrales de frontière associées aux impédances de surface, linéaire ou non linéaire, pour la partie électromagnétique, et aux méthodes d'éléments finis volumiques pour la partie thermique. Un problème industriel et 3D de chauffage par induction est résolu à titre d'illustration, en utilisant les logiciels PHI3D (magnétodynamique, modifié) et FLUX-EXPERT (thermique) pilotés par un superviseur qui automatise le processus.

Ce travail montre la mise en œuvre d'une technique originale pour le chauffage rapide et bien contrôlé de catalyseurs sous forme de films minces déposés sur un structurant métallique. L'utilisation d'un système à induction électromagnétique adapté à un réacteur catalytique de type annulaire nous a permis d'étudier un certain nombre de matériaux catalytiques, déposés sur acier inoxydable, dans une perspective d'oxydation totale en CO2 et H2O de composés organiques volatiles (COV) présents dans l'air. La combustion de l'isopropanol et du toluène par l'oxygène de l'air a été étudiée en utilisant différents catalyseurs déposés sous forme de films minces: 1%Pt/Al2O3, 0,3%Pt/SnO2, 1%Pt/SnO2 et 1%Pt/YSZ. Les solides ont été préparés par imprégnation des oxydes correspondants par H2PtCl6 puis ont été déposés sur le support d'acier inoxydable par électrophorèse. Les principaux paramètres relatifs au mode de chauffage ont été étudiés de même que l'influence sur la conversion des COV de différents facteurs tels que la quantité de catalyseur, le pourcentage de platine ou la nature du support oxyde employé. Les informations fournies par ce système innovant ont également été comparées pour validation à celles obtenues à l'aide d'un système classique (microréacteur en quartz à lit traversé chauffé de manière conventionnelle) pour une réaction de référence qui est l'oxydation de CO en CO2. Le système décrit dans cette étude présente d'une part un intérêt pratique pour le traitement rapide de contaminations accidentelles de l'air ambiant, mais est aussi un très bon moyen d'obtenir des paramètres cinétiques fiables dans le domaine des catalyseurs en films minces utilisés dans de nombreux réacteurs structurés

Le chauffage par induction électromagnétique est un procédé efficace permettant de chauffer directement une zone d'épaisseur contrôlée sous la surface de pièces métalliques en vue de les tremper. Cette thèse présente un modèle mathématique couplé électromagnétique/thermique et des approches numériques pour modéliser le procédé. Le modèle électromagnétique est basé sur une formulation en potentiel vecteur magnétique. Les courants de source sont imposés à l'aide d'une formulation en potentiel scalaire électrique permettant de modéliser des inducteurs de forme géométrique arbitraire. Le problème du transfert de chaleur est modélisé à l'aide de l'équation classique de diffusion de la chaleur. Le modèle électromagnétique est entièrement transitoire, afin de permettre l'introduction des effets non linéaires. La discrétisation spatiale est basée sur une approche éléments d'arêtes en utilisant un domaine global air/pièce/inducteur. Le système linéaire d'équations issu de la formulation implicite est creux et défini semi-positif ; il possède un noyau de taille importante. Il est démontré qu'un préconditionneur basé sur une méthode multigrille algébrique construit conjointement avec un solveur du type Krylov réduit substantiellement le temps de calcul du problème électromagnétique par rapport aux méthodes classiques de solution et peut être très efficace pour le calcul parallèle. Des exemples d'application pour le traitement thermique d'un pignon et pour un vilebrequin automobile sont présentés. Le traitement thermique des surfaces des pièces aux géométries complexes nécessite l'introduction d'un mouvement relatif de la pièce et de l'inducteur pour assurer un traitement homogène de la surface. Une nouvelle méthode est proposée, basée sur une représentation discrète d'une fonction level set du mouvement de l'inducteur qui peut être utilisée pour générer des maillages éléments finis conformes dans le cadre d'une configuration lagrangienne.