Les structures composites sont de plus en plus présentes dans le domaine aéronautique. Le perçage, procédé qui permet le montage de fixations pour assembler ces structures, peut induire des défauts tels que délaminages, écaillages, arrachements de fibres ou surchauffes au niveau de l’alésage.Dans la littérature les auteurs s’intéressent principalement aux défauts créés en entrée et en sortie de trou. Aussi, cette recherche s’est focalisée sur les défauts de paroi crées par l’opération de perçage. Une caractérisation qualitative et quantitative a été proposée et le lien entre ces défauts et la tenue mécanique a été évalué.L’état de surface des parois est quantifié via sa rugosité qui mesure globalement les défauts générés lors du perçage. Jusqu’à présent, la qualité de la surface est estimée par un critère de rugosité géométrique Ra issu de la culture métallique. Il présente un certain nombre d’incohérences pour les perçages des composites. Dans ce travail de thèse, les relations entre les paramètres de perçage, le matériau de l’outil, sa géométrie et la qualité des alésages mesurée par les critères normalisés d’état de surface ont été établies. Un critère de qualité des parois de trou pour les matériaux composites autre que les critères normalisés a été proposé.La nature intime de la surface de contact influence clairement la qualité du transfert de charge par contact localisé. Dans un premier temps, l’influence des défauts de paroi sur la tenue en matage quasi-statique a été établie, ensuite, la tenue en compression quasi-statique des stratifiés C/E liée à la présence de défauts de paroi a été étudiée. Une analyse de la tenue en fatigue des stratifiés percés liée à la présence des défauts d’état de surface a aussi été réalisée. Enfin, une analyse numérique originale par éléments finis incluant une représentation géométrique des défauts observés, a permis de mieux cerner la cinétique d’endommagement des stratifiés percés liés à la présence de défauts de paroi / Composite materials are finding an increasing number of applications in the aerospace industry. The drilling is the process that allows the fasteners installation. The drilling operation can induce defects such as delamination, fibers and matrix pull-out and matrix burning.Previous studies focused mainly on the defects created at the hole entry and exit. Only few of these studies concern the hole wall drilling defects. In this study, we focused on the hole wall defects created by the drilling operation. A qualitative and quantitative characterization of defects was proposed and the relationship between these defects and the mechanical strength was evaluated.The hole surface finish is quantified by the roughness criterion Ra, that comes from metallic culture. Because of their heterogeneous nature, composite materials do not present the same defects patterns as metallic materials. The question that arises is whether the roughness may have an influence on the mechanical behavior of composite materials. In this study, the relation between the drilling parameters, the drill material, its geometry and the hole quality quantified with normalized parameters has been established. A criterion used to quantify the hole surface finish of composites have been proposed.The inner nature of the contact surface clearly influences the load transfer quality. As a first step, the influence of the hole wall defects on the quasi-static bearing behavior has been established, then the compressive behavior linked to the presence of hole wall defects have been studied. An analysis of the fatigue behavior of drilled laminates due to the presence of hole wall defects have been conducted.Finally, a numerical analysis by finite elements including an original geometric representation of the defects observed, has allowed to further clarify the damage kinetics of drilled laminates linked to the presence of drilling defects.

Les exigences du secteur aéronautique incitent les constructeurs à intégrer une part croissante d'alliages de titane Ti6Al4V et de composites à fibres de carbone maintenues dans résine époxyde pour alléger les pièces de structures tout en conservant d'excellentes propriétés mécaniques. Ces matériaux sont empilés et percés en une seule opération au moment de l'assemblage des appareils. Les verrous technologiques et scientifiques sont complexes dès lors que l'opération de perçage a été réalisée à sec. Dans la partie titane, un bilan thermique complet de la zone de coupe est établi pour limiter la production de chaleur et éviter la diffusion vers la partie composite. Il est montré qu'un phénomène de retreint de la surface du trou sur le foret est responsable d'environ 50% de la consommation énergétique de l'opération. Les mécanismes de retour élastique et de retreint thermique ont pu être mis en évidence par démarche expérimentale et numérique. Une étude tribologique est menée dans les zones de contact pièce/outil et copeau/outil pour quantifier et modéliser les contributions mécaniques (coefficient de frottement) et thermiques (coefficient de partage de la chaleur) aux interfaces. Ces données seront utilisées pour la simulation des effets thermomécaniques induits sur la pièce et le foret. Dans la partie composite, une étude expérimentale macroscopique est menée en premier lieu pour enrichir les connaissances dans ces matériaux caractérisés par des comportements très hétérogènes. Puis une analyse de la coupe des fibres à l'échelle mésoscopique est proposée pour identifier les mécanismes à l'origine du refus de coupe et du délaminage. A l'issue de ces études un outil bi-compétence a pu être mis au point. L'optimisation de la géométrie des listels, l'apport d'un revêtement diamant CVD anti-abrasion et le choix de conditions de coupe adaptées à chacun des matériaux, garantissent le respect de la qualité et des contraintes environnementales de l'usinage à sec.

L'assemblage de structures aéronautiques nécessite de nombreuses opérations de perçage et de fraisurage. Les deux problématiques principales concernant ces opérations sont que les alésages réalisés correspondent aux standards de qualité exigés, et que les outils coupants soient utilisés de manière optimale afin de réduire les coûts. Ces deux objectifs nécessitent l'implémentation d'une solution de surveillance en ligne des opérations de perçage. De nombreuses études ont été réalisées à ce sujet. Pourtant, une grande partie des méthodologies développées ont peu de chance de quitter les laboratoires au profit des sites de production industrielle en raison de leur difficulté d'implémentation et de leur manque de robustesse. L'utilisation de plusieurs capteurs, couplés à des techniques avancées de traitement de l'information a permis une meilleure appréhension de la complexité du procédé de perçage et une augmentation de la flexibilité des systèmes de surveillance. Cependant, la majorité des études ont été réalisées en laboratoire et dans des conditions favorables, et les problématiques relatives à la flexibilité des conditions opératoires, ou encore à la qualité des données issues des capteurs n'ont pas été abordées. Cette étude a pour but de démontrer les améliorations potentielles que peuvent apporter les développements récents concernant la modélisation et la fusion de connaissances imparfaites pour la surveillance robuste des opérations de perçage. Une approche sera proposée pour l'implémentation industrielle de systèmes de surveillance de procédés. La méthodologie proposée doit pouvoir être transposée à un champ d'application plus large incluant la plupart des procédés de fabrication automatisés.

Le perçage par laser est le procédé majoritairement utilisé pour la fabrication des trous de refroidissement des chambres à combustion des moteurs d'avion. La maîtrise de ce procédé, afin de limiter les écarts de géométrie des trous ainsi que les défauts microstructuraux induits, est une problématique qui a un fort enjeu industriel.L'interaction entre un faisceau laser et une matière métallique absorbante dans les régimes de perçage laser implique des phénomènes thermiques et hydrodynamiques dont le rôle sur le perçage n'est pas encore complétement expliqué. Ces travaux de thèse apportent des éléments de réponse par une approche de simulation numérique.Une investigation expérimentale couvrant une large gamme de paramètres opératoires a permis de quantifier la vitesse d'éjection liquide, la pression de recul et la température de surface en cours de procédé et d'analyser l'influence de la puissance crête du faisceau laser et de propriétés physiques matériau sur le perçage. Plusieurs méthodes expérimentales originales d'observations in situ et post-procédé ont été mises en œuvre dans cette investigation.Le modèle physique du perçage laser qui a été retenu pour la simulation intègre les changements de phase solide/liquide et liquide/vapeur, la mobilité des interfaces, l'éjection de la phase liquide et les échanges de chaleur par conduction et convection. Il est résolu en 2D axisymétrique via un code de calcul développé entièrement durant la thèse. Ce développement se base sur une méthode numérique récente, appelée méthode des éléments naturels contraints (CNEM en anglais), qui permet une description lagrangienne des interfaces mobiles et de l'écoulement du liquide. Cette description facilite l'application des conditions aux frontières. Les paramètres et données d'entrée du modèle sont tous issus de la littérature et/ou de mesures expérimentales.Les simulations réalisées ont permis de prédire la plupart des mesures sans aucun ajustement de paramètres. Les écarts observés ont donné des informations inédites sur la contribution de la répartition spatiale du faisceau laser et de la phase vapeur sur la géométrie des trous. L'étude des cycles thermiques a permis de mieux comprendre les transformations métallurgiques induites au cours du perçage laser.

Le perçage vibratoire auto entretenu propose la rupture technologique nécessaire à une augmentation de la performance du perçage profond. Un porte outil spécifique a été conçu pour permettre les vibrations axiales, et se présente sous la forme d'un système masse ressort, dont les caractéristiques sont identifiés par l'utilisation de la théorie des lobes de stabilité. L'identification des caractéristiques géométriques d'un outil optimal passe par la caractérisation des aspects tribologiques, des caractéristiques mécaniques du matériau usiné, ainsi que la définition d'une préparation d'arête adéquate. Enfin, ce procédé étant piloté par l'énergie de la coupe, deux modèles d'effort ont été identifiés. La méthode CAM repose sur la discrétisation de l'effort de perçage lors de la phase de pénétration, alors que l'approche analytique permet de prédire l'effort à partir d'un modèle de coupe analytique identifié à partir d'essais de coupe oblique. / Self-sustained vibration drilling offers the technological breakthrough needed to increase the performance of deep drilling. A special tool holder is designed to allow axial vibration, and comes as a spring mass system, whose characteristics are identified by the use of the theory of stability lobes. Identification of the geometric characteristics of an optimal tool requires the characterization of tribological aspects, mechanical properties of the machined material, and the definition of a proper edge preparation. Finally, this process is driven by the energy of the cut, and two types of effort have been identified. The Edge-Material-Pair Method is based on the discretization of the drilling thrust force during penetration phase, while the analytical approach can predict forces from a cut pattern identified from oblique cutting tests.

Dans l’industrie aérospatiale, l’utilisation des matériaux hybrides CFRP/Ti montre une tendance à la hausse en raison de leurs propriétés mécaniques/physiques améliorées ainsi que des fonctions structurelles plus flexibles. En dépit de leurs nombreuses applications, l’usinage CFRP/Ti en perçage en une seule passe reste le principal défi scientifique et technologique de l’assemblage multi-matériaux. Par rapport au coût de production élevé et le temps des recherches basées sur des approches exclusivement expérimentales de l’usinage multi-matériaux, cette étude a pour objectif d’amener une meilleure compréhension de la coupe CFRP/Ti à travers une approche physique hybride qui fait dialoguer les méthodes numériques et expérimentales. Un modèle EF utilisant le concept de zone cohésive a été développé pour étudier l’usinabilité anisotrope de pièces structurales CFRP/Ti à des fins d’assemblage. L’approche numérique explicite, par des études préliminaires, les mécanismes de coupe clés qui contrôlent l’usinage CFRP/Ti. Par la suite, l’approche expérimentale a été conduite sous différentes conditions d’usinage en configuration de coupe orthogonale et de perçage. Une attention spéciale a été consacrée aux effets des stratégies des séquences de coupe CFRP/Ti sur la formation des endommagements d’interface induits. Ces études expérimentales et numériques ont permit (i) d’expliciter les mécanismes physiques activés qui contrôlent la coupe à l’interface ainsi que les endommagements induits par celle-ci, (ii) de préciser les effets des différentes stratégies d’assemblage multi-matériaux sur l’usinage CFRP/Ti, (iii) de définir la classification d’usinabilité CFRP/Ti, et (iv) d’analyser enfin les effets paramétriques géométrie/matériau d’outil régissant l’opération d’usinage CFRP/Ti. / In modern aerospace industry, the use of hybrid CFRP/Ti stacks has experienced an increasing trend because of their enhanced mechanical/physical properties and flexible structural functions. In spite of their widespread applications, machining hybrid CFRP/Ti stacks in one-shot time still consists of the main scientific and technological challenge in the multi-material fastening. Compared to the high cost of pure experimental investigations on the multi-material machining, this study aims to provide an improved CFRP/Ti cutting comprehension via both numerical and experimental methodologies. To this aim, an FE model by using the cohesive zone concept was established to construct the anisotropic machinability of the bi-material structure. The numerical work aims to provide preliminary inspections of the key cutting mechanisms dominating the hybrid CFRP/Ti stack machining. Afterward, some systematic experimental work including orthogonal cutting and hole drilling was carefully performed versus different input cutting conditions. A special focus was made on the study of the effects of different cutting-sequence strategies on CFRP/Ti cutting output and induced interface damage formation. The combined numerical-experimental studies provide the key findings aiming to (i) reveal the activated mechanisms controlling interface cutting and subsequent interface damage formation, (ii) clarify the influences of different cutting-sequence strategies on hybrid CFRP/Ti stack machining, (iii) outline the machinability classification of hybrid CFRP/Ti stacks, and (iv) analyze finally the parametric effects of the material/tool geometry on cutting CFRP/Ti stacks.

Le perçage profond (Lu >= 5 x Øoutil) à l'aide de la technologie BTA (Boring Trepanning Association) intervient lorsqu'on souhaite fabriquer des pièces avec un bon rendement productif associé à une bonne qualité d'usinage. Les industries mécaniques évoluent dans un contexte de concurrence perpétuelle, avec des exigences technico-économiques toujours plus importantes. Cette étude résulte donc de la volonté de plusieurs acteurs industriels (AREVA et CIRTES) et universitaire (LEMTA, Université de Lorraine), de faire progresser la compréhension des mécanismes d'usinage qui régissent ce procédé. Une analyse bibliographique approfondie a révélé que cette technologie propose un champ d'investigation très vaste et relativement peu exploré car difficile à appréhender et à étudier. Le but de ce travail est d'analyser et de modéliser les phénomènes ayant lieu au cours d'une opération de perçage profond. Une analyse de la morphologie des copeaux a permis d'introduire un nouveau paramètre permettant d'évaluer les contraintes mécaniques subies par le matériau usiné. L'approche proposée permet quant elle de définir le torseur des contraintes mécaniques en intégrant la géométrie effective de coupe, et ce pour toutes les surfaces de coupe actives d'une tête de forage BTA. Les principes des modélisations utilisées permettent une application relativement aisée à de nombreux matériaux et à partir de l'identification d'un minimum de paramètres. Des moyens expérimentaux originaux ont permis d'identifier des paramètres ainsi que d'ajuster et d'étudier la validité des modélisations. Les limitations de la loi de comportement utilisée ont été mises en évidences, et des perspectives d'études complémentaires ont donc été proposées.Néanmoins, l'ensemble des résultats issus de cette étude ouvrent, modestement, des perspectives intéressantes, notamment dans le domaine d'aide aux choix des paramètres de coupe optimaux, et pour l'aide à la compréhension des phénomènes physiques de la coupe / Deep drilling (Drilling distance >= 5 x Øtool) with BTA system (Boring Trepanning Association) occurs when you produce parts with good productive performance combined with good machining quality. Mechanical industries operate in a context of constant competition, with ever greater technical and economic requirements. This study illustrates the desire of many industrial players (AREVA and CIRTES) and university (LEMTA, Université de Lorraine), to advance in the understanding of machining mechanisms that govern this process. A literature review revealed that this technology offers a vast and relatively unexplored field of investigation and study. The aim of this study is to analyze and modelling the phenomena which occurring in a deep drilling operation. An analysis of the morphology of the chips has introduced a new parameter for assessing the mechanical stresses suffered by the material being machined . The proposed approach allows to define the mechanical stress torsor by integrating the real cutting geometry, for all cut surfaces of active drilling head BTA. The principles of modeling used allow a relatively easy application to many materials and from the identification of a minimum parameters. Original experimental methods have allowed the identification of parameters and adjust and examine the validity of modeling. The limitations of the law of behavior have been used in evidence, and the prospects for further studies have been proposed. Nevertheless, all the results of this study open, modestly, interesting perspectives, especially in the field of helping for the choice of optimum cutting parameters, and help in the understanding of the physical phenomena of the cut

La chromatographie membranaire est une alternative à la chromatographie classique sur résine basée sur le transport convectif des solutés à travers une membrane microporeuse plutôt que par le transport diffusif des solutés dans les particules de résines. Cette technique présente les avantages de diminuer les phénomènes de diffusion, de réduire les temps de séjour et les pertes de charge, et de permettre la purification rapide de quantités importantes de molécules. La chromatographie membranaire connaît un fort succès commercial. Une gamme importante de membranes chromatographiques mettant en jeu différents mécanismes de rétention (échange d’ions, affinité, etc.) et différentes géométries (feuille, spirale, etc.) est actuellement commercialisée. Malgré ce succès, différents aspects relatifs à la chromatographie membranaire restent mal connus. Cette thèse de doctorat se propose de répondre à certaines questions relatives à cette technique / Membrane chromatography (MC) is an alternative to traditional resin packed columns chromatography. The solute mass transport in the membrane occurs in convective through-pores rather than in stagnant fluid inside the pores of the resins particles, which is limited by the slow diffusive transport. MC offers the main advantage of reducing diffusion phenomena, shorter residence time and lowered pressures drops, and thus, facilitates rapid purification of large quantities of molecules. A wide range of chromatographic membranes involving different molecules retention mechanisms (ion exchange, affinity, etc...) is now commercialized. Despite their success, the influence of the geometry of the membrane chromatography devices remains relatively unexplored from a theoretical point of view. This doctoral thesis is aimed to clarify some ambiguous points related to this technique

Afin de satisfaire la demande croissante des systèmes de traitement de l'air, des procédés commerciaux basés sur la photocatalyse par TiO2 ont été commercialisés. Récemment le problème de la désactivation de ces systèmes a attiré l'attention des industriels ainsi que des chercheurs. Les Siloxanes Méthyliques Volatils (SMVs) présents dans l'air auraient été identifiés comme une source majeure contribuant à cette désactivation. Par ailleurs, dans les centres de stockage des déchets, la valorisation du biogaz nécessite de recueillir et de traiter le biogaz issu des déchets organiques en vue de produire de l'énergie renouvelable et inoffensive pour l'environnement. A nouveau, les SMVs ont été identifiés comme un frein principal au développement de cette filière, ces derniers conduisant après oxydation à des dépôts de silice abrasifs dans le moteur. Les difficultés de mesure des SMVs aussi bien dans le biogaz que dans l'air ambiant ainsi que l'évaluation de leur impact sur les systèmes photocatalytiques ou dans les procédés de valorisation du biogaz constituent par conséquent un vrai défi. Afin de répondre à ces problématiques, ce travail comporte trois volets principaux : Le premier volet est dédié à la mise au point d'une méthode de mesure des siloxanes méthyliques volatils dans le biogaz et dans l'air ambiant. Pour ce faire nous avons choisi de mettre en place un système d'échantillonnage des SMVs basé sur leur piégeage et préconcentration sur un support solide suivi d'une désorption thermique ou chimique (extraction par solvant) avant leur analyse par GC-MS. Puisqu'aucune étude systématique sur le choix des supports n'est relatée dans la littérature, nous avons comparé plusieurs types d'adsorbants en déterminant le volume de perçage pour chacun des SMVs afin de choisir le (les) meilleur(s). Le second volet est consacré à l'évaluation des teneurs en SMVs dans le biogaz ainsi que dans l'air ambiant en différents endroits. Une méthode d'analyse des SMVs fiable a été développée qui a permis de confirmer les résultats précédents obtenus au laboratoire en ce qui concerne le choix des adsorbants pouvant piéger quantitativement les SMVs. Enfin, dans le troisième volet, l'impact des SMVs sur les systèmes photocatalytiques en choisissant comme molécule modèle l'octaméthylcyclotétrasiloxane (D4) a été étudié / In order to address the growing demand for indoor air treatment, many commercial systems based in the potocatalytic degradation using TiO2 have reached the market. Recently, deactivation of these systems has been observed. Some of the potentially most important deactivation pollutants are volatile methyl siloxanes (VMS), which are becoming more and more abundant indoor and in ambient air. Moreover, the increasing interest in the utilization of biogas to generate renewable energy (production of heat or electricity), has created significant concerns about the presence of VMS in the biogas. During biogas combustion, VMS are oxidized to abrasive microcrystalline silica that causes serious damage to gas engines, thus reducing the economic benefits of using biogas. Hence, it is essential to be able to measure the concentration of such VMS in ambient air and in biogas by a reliable method, as well as to study their impact on the photocatalytic systems. To address these issues, this work has three main parts: The first part is dedicated to the development of a method for measuring volatile methyl siloxanes in biogas and in ambient air. We have chosen sampling gas through sorbent tube followed by thermal desorption or chemical desorption (solvent extraction) and analysed using GC-MS. Since no systematic study on the choice of materials is related in the literature, we compared several types of adsorbents based on the determination of the VMS breakthrough volume (BV), in order to choose an appropriate adsorbent and to obtain accurate quantification of VMS. The second part is devoted to the evaluation of VMS in biogas and in ambient air at different sites. A reliable analytical method has been developed, and results are in agreement with the previous results obtained in the laboratory regarding the choice of adsorbents. Finally, in the third part, for a better understanding of the impact of VMS on photocatalytic systems, D4 was chosen as a VMS model compound as it is one of the most important VMS