Actuellement, nous assistons à une croissance forte de l'emploi des machines d'usinage par jet d'eau haute pression (HP) dans de nombreuses applications industrielles, notamment celle du perçage. Afin d'accompagner cette tendance et pour permettre une avancée technologique significative de ce procédé de fabrication, nous nous proposons, dans le cadre de cette thèse, de modéliser et simuler numériquement le perçage par jet d'eau abrasif. Aujourd'hui, pour étudier l'interaction d'un jet d'eau chargé de particules avec la matière dans le cadre du perçage et ainsi comprendre le mécanisme d'enlèvement de matière, les chercheurs procèdent expérimentalement. Les expériences ainsi réalisées sont très complexes et difficiles à maîtriser. Compte tenu de ces difficultés, une approche numérique du problème du perçage par jet d'eau abrasif permettrait de porter un regard plus local sur l'interaction jet d'eau abrasif - matière et ainsi de mieux comprendre le phénomène d'enlèvement de matière. Notre modélisation prend en compte l'écoulement composé du jet et des particules abrasives, l'interaction de ce jet avec la matière et l'érosion produite sur la cible. Le choix de l'utilisation du logiciel Fluent 6 pour simuler l'écoulement a conduit à une étude de validation et de compatibilité avec nos conditions extrêmes de travail. Ce logiciel est couplé avec des modèles d'érosion et de remaillage du domaine de calcul. Cette configuration nous a permis de réaliser la simulation du perçage droit non débouchant d'une plaque en acier qui a été l'objet d'une étude expérimentale au sein d'Arts et Métiers Paris Tech en partenariat avec la SNECMA. La validation de notre modélisation est assurée par la comparaison des résultats fournis par les expériences et la simulation numérique qui montre un bon accord, moins de 10% d'écart, aussi bien pour la profondeur que pour le diamètre du perçage.

Depuis une dizaine d'années, la découpe par jet hybride où un jet d'eau fait office de guide d'onde pour le laser est utilisée avec succès dans le domaine de la microélectronique. Afin de développer cette technologie pour l'amener vers d'autres marchés tels que l'automobile, la chaudronnerie ou l'aéronautique, il est nécessaire d'augmenter la puissance des lasers et la pression du jet. A ces hauts niveaux énergétiques, les nouvelles interactions qui apparaissent entre la lumière et le fluide ainsi que les modifications du matériau engendrées par le jet hybride n'ont encore jamais été étudiées d'un point de vue physico-chimique. Nous avons donc d'abord mis au point un système permettant de mesurer les propriétés optiques de l'eau à très haute pression dont une application directe pourrait être un capteur optique de pression des fluides. Ainsi et de façon originale, ce travail a permis de mesurer l'indice de réfraction et la polarisabilité de l'eau jusqu'à 250 MPa en modélisant leurs évolutions à l'aide des équations de Tait, de Sellmeier et de Lorentz-Lorenz. Cette étude a débouché sur la création d'un modèle reliant directement la densité du fluide à la mesure de son indice de réfraction. Suite à ces résultats, nous avons pu, après des simulations d'hydrodynamisme, concevoir une tête permettant le couplage d'un laser haute puissance guidé par jet d'eau haute pression. Nous avons alors testé diverses formes de chambres permettant le couplage d'un jet hybride de nouvelle génération. En parallèle, nous avons étudié l'impact physico-chimique d'un jet hybride découplé où le laser et le jet d'eau sont focalisés, pour la découpe, à la surface d'échantillons en acier 301L et en alliage de titane TA6V. Les résultats ont été obtenus par spectroscopie Raman, Diffraction des Rayons X (DRX), microscopie optique et microscopie électronique à balayage couplé à de l'analyse EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) et à de l'analyse d'orientation cristallographique (EBSD). Lors de la découpe, des transformations de phases et une couche oxydée apparaissent à la surface des échantillons. Nous avons montré notamment que ces couches d'oxydes ainsi que les résidus de coupe sont en majeure partie constitués de magnétite (Fe3O4) et de rutile (TiO2) / For a decade, the hybrid jet cutting where a water jet acts as waveguide for the laser has been successfully used in the field of microelectronics. To develop this technology and bring it up to other markets such as automotive, boiler or aerospace, it is necessary to increase both the laser energy and the water jet pressure. At these high energy levels, new interactions that occur between light and fluid as well as the material changes caused by the hybrid jet have never been studied from a physicochemical point of view. So, at first, we have devised a system allowing measurements of optical properties of water at high pressure with a possible direct application in optical sensor for fluid pressure. In an original way, this work has allowed us to measure the refractive index and polarizability of water up to 250 MPa and model their evolution using Tait, Sellmeier and Lorentz-Lorenz equations, respectively. A direct result of this study is the creation of a model linking directly the fluid density to the measurement of its refractive index. Following these developments and after hydrodynamics simulations, we have designed a specific head for coupling a high power laser guided by high pressure water jet. Then we have tested various head types allowing the coupling of a new generation hybrid jet. In the same time, we have studied the physicochemical impact of decoupled hybrid jet where the laser and water jet are both focused, for cutting, at the surface of 301L steel and titanium alloy TA6V samples. The analysis have been done by Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), optical microscopy and scanning electron microscopy coupled with EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) analysis and the crystallographic orientation (EBSD) analysis. During cutting, a phase transformation and an oxidized layer appear on the surface of the samples. We have shown in particular that these oxide layers and cutting residues are mainly composed of magnetite (Fe3O4) and rutile (TiO2)

Cette étude porte sur l'usinage de l'alliage de titane Ti17 avec une assistance jet d'eau haute pression. Une attention particulière a été portée à l'analyse des mécanismes de dégradation et d'usure des outils lors de l'usinage avec et sans assistance. Le suivi de l'usure est réalisé par des observations régulières au microscope électronique à balayage (MEB) et par des analyses chimiques (technique EDS) afin de déterminer les zones de dépôt de matière sur l'outil. Toutes ces observations ont permis d'expliquer les mécanismes d'usure pour une opération d'ébauche et de finition. Il a été montré que les mécanismes d'usure sont différents entre l'usinage conventionnel et l'usinage assisté. En effet, lors de l'assistance jet d'eau haute pression, certains mécanismes ne sont plus activités mais d'autres mécanismes sont accélérés. Il existe donc une pression de jet d'eau optimale pour minimiser l'usure de l'outil.Afin de mettre en évidence l'effet du jet d'eau sur les phénomènes thermomécaniques dans les zones de formation du copeau, une modélisation par éléments finis est réalisée. Un couplage fluide / structure a dû être mis en place afin de prendre en compte les actions mécaniques et thermiques du jet d'eau sur la zone de coupe. Pour cela, la loi de comportement et le modèle d'endommagement de Johnson-Cook, ont été identifiés pour le Ti17 dans des conditions extrêmes sur une large gamme de températures et de vitesses de déformation. Cette modélisation a permis de mettre en évidence, pour l'usinage assisté haute pression, la diminution de la zone de contact outil/copeau, de retrouver la fragmentation du copeau et de quantifier le refroidissement des différentes zones de cisaillement.En revanche, cette modélisation ne permet pas de connaître l'effet de l'hétérogénéité microstructurale du matériau sur la zone de coupe. Ce constat est d'autant plus important que le matériau étudié présente une taille de grain importante (de l'ordre du millimètre). Pour cela, une nouvelle modélisation (multi-échelle) a été développée afin de prendre en compte la microstructure du matériau. Le matériau est donc modélisé comme un polycristal qui prend en compte des lois de la plasticité cristalline. Cette nouvelle approche permet alors de simuler la formation du copeau en prenant en compte les orientations cristallines des grains et les changements de phase qui apparaissent lors de l'usinage.

Les revêtements organiques déposés en surface de tuyaux en fonte ductile ont pour vocation d’assurer une protection (notamment la résistance chimique, la tenue à la corrosion) vis-à-vis des effluents agressifs transportés. Pour assurer l’adhérence entre le revêtement (époxy) et son substrat, une préparation de surface est souvent nécessaire. Parmi les procédés conventionnels, le grenaillage est la solution la plus utilisée. Simple à mettre en œuvre et d’efficacité prouvée, il permet d’assurer le décapage de la surface tout en générant une rugosité adaptée. Si la solution est approuvée, des questions subsistent néanmoins quant à l’influence respective de la topographie et de la physico-chimie des surfaces. De plus, encouragées par les nouvelles réglementations environnementales, de nouvelles techniques de préparation de surface se développent.Le travail présenté s’est alors attaché à évaluer l’effet de nouvelles techniques de préparation comme le laser de structuration et le jet d’eau à ultra haute pression à comparer à d’autres procédés conventionnels tels que le brossage et le sablage. Ces nouvelles alternatives vont permettre alors de mieux comprendre l’influence du décapage et de la rugosité de surface avant la mise en peinture.Enfin, les différents résultats obtenus ont été alors spécifiquement analysés pour permettre la compréhension des phénomènes ou mécanismes d’adhésion se produisant à l’interface du couple époxy/substrat, d’un point de vue mécanique et physico-chimique. Divers moyens d’analyses ont alors pu être mis en œuvre pour caractériser les surfaces d’un point de vue morphologique (ratio de surface) et chimique (spectroscopies Raman et photoélectronique à rayons X (XPS)) pour évaluer la tenue interfaciale (test de traction adhérence). / Organic coatings applied on the surface of cast iron pipes ensure very good chemical and anti-corrosion protection against aggressive effluents. To improve adherence between coating (epoxy) and substrate, a surface preparation is required. Among conventional processes shot blasting has emerged as the most efficient and cheapest solution for ensuring stripping while generating adapted roughness. However, as it may enhance both mechanical anchorage and chemical bonding a better understanding of these phenomena should be developed. Besides new eco-friendly alternatives were investigated.Indeed, new techniques were evaluated, i.e. laser structuring and an ultra-high pressure water jet whose major benefits are understanding the effect of ablation and surface roughness prior to applying a coating. Moreover, two other conventional processes (sand blasting and brushing) were introduced to obtain a various roughness.Results obtained were then analyzed to further understand bonding mechanisms at the interface.Several processes were then implemented to evaluate the surface morphology as well as the surface chemistry (spectroscopy Raman and XPS) correlated to the adhesion mechanisms

Cette étude porte sur l'usinage de l'alliage de titane Ti17 avec une assistance jet d'eau haute pression. Une attention particulière a été portée à l'analyse des mécanismes de dégradation et d'usure des outils lors de l'usinage avec et sans assistance. Le suivi de l'usure est réalisé par des observations régulières au microscope électronique à balayage (MEB) et par des analyses chimiques (technique EDS) afin de déterminer les zones de dépôt de matière sur l'outil. Toutes ces observations ont permis d'expliquer les mécanismes d'usure pour une opération d'ébauche et de finition. Il a été montré que les mécanismes d'usure sont différents entre l'usinage conventionnel et l'usinage assisté. En effet, lors de l'assistance jet d'eau haute pression, certains mécanismes ne sont plus activités mais d'autres mécanismes sont accélérés. Il existe donc une pression de jet d'eau optimale pour minimiser l'usure de l'outil.Afin de mettre en évidence l'effet du jet d'eau sur les phénomènes thermomécaniques dans les zones de formation du copeau, une modélisation par éléments finis est réalisée. Un couplage fluide / structure a dû être mis en place afin de prendre en compte les actions mécaniques et thermiques du jet d'eau sur la zone de coupe. Pour cela, la loi de comportement et le modèle d'endommagement de Johnson-Cook, ont été identifiés pour le Ti17 dans des conditions extrêmes sur une large gamme de températures et de vitesses de déformation. Cette modélisation a permis de mettre en évidence, pour l'usinage assisté haute pression, la diminution de la zone de contact outil/copeau, de retrouver la fragmentation du copeau et de quantifier le refroidissement des différentes zones de cisaillement.En revanche, cette modélisation ne permet pas de connaître l'effet de l'hétérogénéité microstructurale du matériau sur la zone de coupe. Ce constat est d'autant plus important que le matériau étudié présente une taille de grain importante (de l'ordre du millimètre). Pour cela, une nouvelle modélisation (multi-échelle) a été développée afin de prendre en compte la microstructure du matériau. Le matériau est donc modélisé comme un polycristal qui prend en compte des lois de la plasticité cristalline. Cette nouvelle approche permet alors de simuler la formation du copeau en prenant en compte les orientations cristallines des grains et les changements de phase qui apparaissent lors de l'usinage. / This study focuses on the machining of the Ti17 titanium alloy using high-pressure water jet assistance. Special emphasis is placed on the analysis of degradation mechanisms and tool wear during machining, with and without assistance. Wear monitoring was achieved by regular observations using both scanning electron microscope (SEM) and chemical analysis (EDS technique) to determine the areas of material deposition on the tool. These observations made it possible to explain the wear mechanisms for roughing and finishing conditions. Wear mechanisms for conventional machining and for assisted machining were found to be significantly different. Indeed, with high-pressure water jet assistance, some tool wear mechanisms are no longer activated, whereas others are accelerated. Hence, there exists an optimum water jet pressure which minimizes tool wear.To highlight the effect of water jet assistance on the thermomechanical phenomena in the chip formation zone, finite-element modeling has been performed. Fluid/structure coupling was developed to take into account the mechanical and thermal effects of the water jet. For this to be possible, the Johnson-Cook constitutive law and damage model have been identified for the Ti17 titanium alloy, under extreme conditions, over a wide range of temperatures and strain rates. This modeling has highlighted the fact that, for high-pressure assisted machining, the tool/chip contact zone is reduced. In addition, the simulation of chip fragmentation as well as the cooling effect on the tool and workpiece is possible.However, this model does not shed light on the effect of the microstructural heterogeneity of the material in the cutting zone. This is an important observation because the material studied has a very large grain size (of the order of a millimeter). For this reason, a new (multi-scale) modeling approach has been developed to take into consideration the microstructure of the material. The material is subsequently modeled as a polycrystal which obeys crystal plasticity constitutive laws. This new approach is then used to simulate chip formation, taking into account the grain orientations and phase changes that occur during the machining process.

Ce travail fait partie du projet Marie-Curie ITN STEEP, dans le domaine des faisceaux énergétiques. Nous étudions ici l'identification de paramètres pour un modèle générique d'usinage par jet d'eau abrasif. L'étude de ce problème trouve son origine dans les applications industrielles d'usinage, où la nécessité de modéliser et prédire la surface finale avec une très grande précision est essentielle en l'absence de connaissance des paramètres du modèle Nous proposons ici une méthode d'identification des paramètres du modèle basée sur la minimisation d'une fonction coût, mesurant la différence entre la solution numérique et les observations expérimentales. L'approche variationnelle, basée sur le Lagrangien, permet de considérer l'adjoint, et l'utilisation d'un logiciel de différentiation automatique (TAPENADE) conduit à une identification rapide et précise des paramètres, quelles que soient la complexité et la taille du problème étudié. La qualité de l'identification peut être fortement instable et dépendre largement des données expérimentales en cas de bruit. Nous introduisons alors des termes de régularisation permettant de gérer la présence d'erreurs de mesure. Plusieurs cas d'usinage par jet abrasif sont considérés: problème stationnaire, jet qui se déplace à vitesse constante, ou en accélérant, utilisation synthétiques ou réelles L'étude de sensibilité montre la robustesse de l'approche, qui permet d'obtenir de très bons résultats acceptables d'un point de vue industriel / This work is part of STEEP Marie-Curie ITN project, covering the research in field of energy beam processing. We focus on the identification of unknown parameters of the proposed generic Abrasive WaterJet Milling (AWJM) model. The necessity of studying this problem comes from the industrial milling applications where the possibility to predict and model the final surface with high accuracy is one of the primary tasks in the absence of any knowledge of the model parameters that should be used. We propose the method of the model parameters identification by minimizing a cost function, measuring the difference between experimental observation and numerical solution. The variational approach based on corresponding Lagrangian allows to obtain the adjoint state and the involvement of the automatic differentiation software tool (TAPENADE) leads to fast and efficient parameters identification. In fact the parameter identification problem is highly unstable and strictly depends on quality of input data. Regularization terms could be effectively used to deal with the presence of measurement errors. Various cases of the AWJM process such as a stationary problem and moving with constant feed speed or acceleration are studied based on both artificial and real experimental data. The sensitivity study related to these particular problems demonstrates the strong capability of the proposed approach to obtain acceptable

Ce document décrit mon cheminement professionnel, en détaillant principalement mes activités de recherche successives qui, par delà les changements de pays et de thématiques précises, ont gardé le dénominateur commun " d'interaction lumière-matière ". Ce document débute par un curriculum vitae (section 1) qui résume les différentes étapes de mon cheminement professionnel (" Diplomarbeit " au Laser-Laboratorium Göttingen, Doctorat à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Recherche dans une PME à Lausanne, Maître de Conférence à l'Université d'Aix-Marseille / Institut Fresnel) en précisant les responsabilités que j'ai assumées. Suit la liste de mes travaux (section 2), puis la liste des personnes dont j'ai encadré le travail (section 3). La section suivante résume mes activités d'enseignement (section 4). Le mémoire se termine ensuite avec le résumé de mes activités de recherche dans les deux dernières positions que j'ai occupées (section 5) et se conclut par une esquisse de mon projet scientifique (section 6) tel que je le perçois aujourd'hui. En annexe, j'ai finalement attaché les copies de quelques publications significatives sur différents aspects de mon travail.

L'alliage de titane Ti555-3, qui commence à être utilisé dans le domaine aéronautique, soulève des difficultés spécifiques en usinage. Cette étude propose d'analyser l'usinabilité de cet alliage et de la comparer à un alliage de référence, le Ti-6Al-4V. Trois aspects ont été explorés. Des essais de coupe orthogonale instrumentés ont été réalisés avec examen de la morphologie des copeaux. Cette étude a permis d'entrevoir l'influence de différents paramètres de coupe sur les conditions d'usinage sur l'usinabilité du Ti555-3. Ainsi l'évolution des efforts de coupe, des températures dans la zone de coupe, la modification de la morphologie du copeau et les évolutions des contraintes résiduelles ont pu être mis en évidence. Des essais de comportement en cisaillement rapide ont permis de reproduire les observations faites sur l'usinage et de proposer l'identification de la loi de Johnson-Cook des matériaux que nous avons ensuite utilisés dans des simulations de formation de copeaux. Une étude sur l'usinage assisté jet d'eau haute pression (UAJEHP) a été menée à différentes vitesses de coupe et d'avance, avec assistance haute pression et à sec. Les copeaux obtenus ont été examinés géométriquement. Les contraintes résiduelles du matériau généré par l'UAJEHP ont été étudiées, leurs analyses ont permis de constater que cette technique réduit le niveau maximal des contraintes résiduelles superficielles. L'utilisation de l'usinage assisté Laser (UAL) permet d'accroitre de nombreux aspects de l'usinabilité des alliages de titane. Cette étude a permis de montrer une influence très significative du la puissance laser sur les efforts de coupe et sur l'intégrité de surface des pièces usinées.

Le progrès technologique nécessite des techniques de plus en plus sophistiquées et précises de traitement de matériaux. Nous étudions le traitement de matériaux par faisceaux de haute énergie : un jet d’eau abrasif, une sonde ionique focalisée, un laser. L’évolution de la surface du matériau sous l’action du faisceau de haute énergie est modélisée par une EDP. Cette équation contient l’ensemble des coefficients inconnus - les paramètres de calibration de mo- dèle. Les paramètres inconnus peuvent être calibrés par minimisation de la fonction coût, c’est-à-dire, la fonction qui décrit la différence entre le résultat de la modélisation et les données expérimentales. Comme la surface modélisée est une solution du problème d’EDP, cela rentre dans le cadre de l’optimisation sous contrainte d’EDP. L’identification a été rendue bien posée par la régularisation du type Tikhonov. Le gradient de la fonction coût a été obtenu en utilisant les deux méthodes : l’approche adjointe et la différen- ciation automatique. Une fois la fonction coût et son gradient obtenus, nous avons utilisé un minimiseur L-BFGS pour réaliser la minimisation.Le problème de la non-unicité de la solution a été résolu pour le problème de traitement par le jet d’eau abrasif. Des effets secondaires ne sont pas inclus dans le modèle. Leur impact sur le procédé de calibration a été évité. Ensuite, le procédé de calibration a été validé pour les données synthétiques et expérimentales. Enfin, nous avons proposé un critère pour distinguer facilement entre le régime thermique et non- thermique d’ablation par laser. / The technological progress demands more and more sophisticated and precise techniques of the treatment of materials. We study the machining of the material with the high energy beams: the abrasive waterjet, the focused ion beam and the laser. Although the physics governing the energy beam interaction with material is very different for different application, we can use the same approach to the mathematical modeling of these processes.The evolution of the material surface under the energy beam impact is modeled by PDE equation. This equation contains a set of unknown parameters - the calibration parameters of the model. The unknown parameters can be identified by minimization of the cost function, i.e., function that describes the differ- ence between the result of modeling and the corresponding experimental data. As the modeled surface is a solution of the PDE problem, this minimization is an example of PDE-constrained optimization problem. The identification problem was regularized using Tikhonov regularization. The gradient of the cost function was obtained both by using the variational approach and by means of the automatic differentiation. Once the cost function and its gradient calculated, the minimization was performed using L-BFGS minimizer.For the abrasive waterjet application the problem of non-uniqueness of numerical solution is solved. The impact of the secondary effects non included into the model is avoided as well. The calibration procedure is validated on both synthetic and experimental data.For the laser application, we presented a simple criterion that allows to distinguish between the thermal and non-thermal laser ablation regimes.