Dans le cas des pièces aéronautiques de grandes dimensions et de formes complexes nécessitant un bon état de surface, les opérations de polissage sont la plupart du temps réalisées manuellement par des opérateurs spécialisés. Ces opérations étant longues, pénibles et coûteuses, il paraît pertinent de s’intéresser à leur automatisation. Dans ces travaux de thèse, nous nous intéressons à la mise en place d’un processus de polissage robotisé pour un train d'atterrissage en acier à haute résistance. La définition du processus robotisé passe par la définition des outils adéquats (taille de grain, forme et souplesse), des conditions de polissage (effort, vitesse de coupe, vitesse d’avance, angle de dépinçage et recouvrement) et le réglage des paramètres de la commande en effort en fonction du matériau à polir et de la spécification de rugosité visée. Un modèle d’enlèvement de matière est ensuite proposé afin de maîtriser le défaut d’état de surface généré pour des outils « disques ». Une campagne expérimentale permet enfin de valider la mise en œuvre du robot et du processus de polissage sur une pièce spécifique, notamment en ce qui concerne la chaîne numérique. / In the case of aircraft large parts and complex shapes requiring a good finish state, polishing operations are mostly performed manually by specialized operators. These operations are long, painful and expensive, it seems relevant to be interested in their automation. In the thesis work, we focus on the development of a robotic polishing process for high strength steel landing gear. The definition of the robotic process involves the definition of appropriate tools (grain size, shape and flexibility), polishing conditions (force, cutting speed, feed rate, inclination angle and overlap) and adjustment of parameters the force control based on the material to be polished and the specification roughness. A material removal model is then proposed to control the surface state generated for discs tools. Finally, an experimental campaign validates the implementation of the robot and the polishing process on a specific part, in particular as regards the numerical chain.

L'Optique Active est une discipline en plein essor qui a obtenu ses lettres de noblesse sur les plus grands télescopes du monde. Les grands projets instrumentaux en cours ou à venir intègrent désormais l'Optique Active à tous les niveaux de leur conception. Les miroirs actifs présentent l'avantage d'une grande qualité de surface combinée à une versatilité et une flexibilité qui en font des pièces indispensables pour réaliser des télescopes et instruments de plus en plus performants an d'atteindre les objectifs scientifiques du futur. Trois techniques d'Optique Active, basées sur le polissage sous contrainte et la déformation in situ, sont au cœur du travail présenté. Ces techniques sont développées dans le cadre de trois projets majeurs de la communauté astronomique : 1) le miroir secondaire déformable du VLT, 2) l'instrument de recherche d'exoplanètes Sphere sur le Vlt et 3) le projet de spectrographe grand champ multi-objet Eagle pour l'European-Elt. A partir de la théorie des plaques minces en flexion, les modèles analytiques permettent de définir les configurations de charges et distributions d'épaisseur des substrats de miroirs à déformer. Les analyses par éléments finis sont un atout majeur pour l'optimisation et la validation des techniques proposées. De nombreuses passerelles sont utilisées ou créées entre élasticité, théorie des aberrations et analyse spectrale an d'évaluer la qualité optique des déformations de surfaces des miroirs. Trois procédés de fabrication sont ainsi développés de bout en bout an de produire une lame mince convexe hyperbolique, des miroirs toriques de grande précision et de miroirs à toricité variable de grande dynamique, le point commun de ces procédés étant l'excellente qualité de surface des miroirs.

Le thème abordé est celui de la fabrication de pièces de formes complexes sur centre d'usinage à 5 axes et plus particulièrement le point de vue de la génération de trajectoires et de leurs exécutions sur les machines. Quatre thèmes distincts seront abordés dans les quatre chapitres proposés : la prise en compte des performances cinématiques du couple MO-CN en FAO, la prise en compte du modèle géométrique de la machine en FAO, Les formats d'échange et de description des données dans la chaîne numérique de fabrication et enfin l'industrialisation du polissage automatique sur MOCN 5 axes. Enfin dans la troisième partie sont regroupés les articles publiés dans des revues internationales et qui sont proposés comme documents de références pour les développements de la deuxième partie.

Les procédés de fabrication de composants optiques ont un impact sur leur capacité à soutenir de forts flux laser. Nous présentons les travaux menés sur les procédés de polissage et l'optique diffractive pour en comprendre et améliorer les performances.

Dans la fabrication de lentilles asphériques pour la photolithographie, l’étape delissage est critique. C’est aujourd’hui le seul procédé qui peut corriger les défauts de hautesfréquences spatiales responsables de diffusions parasites, de diminutions de transmittance etde contraste. Cette opération doit préserver la forme asphérique basse fréquence tout enlissant les défauts de hautes fréquences. Un tel comportement peut être obtenu pour des outilscombinant une couche continue flexible pour le suivi basse fréquence et une couche de poixfractionnée pour le lissage de défauts hautes fréquences. Les buts principaux de cette étudesont de prédire l’efficacité de lissage et le suivi de forme de différents outils et ensuite dedéterminer l’outil permettant le meilleur compromis. A cette fin, un modèle multi-échelles estdéveloppé. A l’échelle de l’outil entier, une étude paramétrique par éléments finis permet dedéterminer les caractéristiques de la couche flexible ainsi que la force appliquée optimale afind’obtenir l’homogénéité de la pression à l’échelle de la forme asphérique globale. A l’échelle dela couche de poix, la Méthode par Eléments Discrets est utilisée pour investiguer l’interfaceoutil-pièce. Un modèle basé sur le concept de la poutre cohésive viscoélastique est développé,prenant en compte la réponse fréquentielle de la couche de poix. La comparaison avecl’Analyse Mécanique Dynamique montre la capacité de la DEM à modéliser le comportementviscoélastique. L’opération de lissage est ensuite modélisée par DEM et analytiquement. Lesdonnées expérimentales obtenues par la méthode de la Densité Spectrale de Puissancemettent en évidence l’impact des propriétés de la poix sur l’efficacité de lissage. Lacomparaison entre les résultats numériques et expérimentaux montre que le modèle DEMdonne des résultats prometteurs pour la modélisation du lissage de défauts. / In aspherical photolithography optics manufacturing, the smoothing step iscritical. So far, it is the only process that can correct high spatial frequency defects, responsiblefor flare and transmission, contrast decrease. This operation must preserve the low frequencyaspherical shape while smoothing high frequency defects. That behavior can be obtained withtools that combine a continuous flexible layer for low frequency compliance and a fractionatepitch layer for high frequency defect polishing. The main goals of this study are predicting thesmoothing efficiency and form control of different tools, and then determining the best tool toachieve a good balance between them. To do this, a multi-scale model is developed. First, atthe whole tool scale, a finite-element parametric study yields the best characteristics for theflexible layer as well as the optimal applied force to achieve pressure homogeneity at the globalaspherical shape level. Second, at the pitch layer level, the Discrete Element Method is used toinvestigate the tool-workpiece interface. A model based on the viscoelastic cohesive beamconcept is developed, taking into account the pitch layer’s frequency response. Comparisonwith Dynamic Mechanical Analysis shows the ability of DEM to model viscoelastic behavior. Thesmoothing operation is then modeled both by DEM and analytically. Experimental data obtainedby the Power Spectral Density Method highlight the impact of pitch properties on the smoothingefficiency. Comparison between numerical and experimental data shows that the DEM modelyields promising results in defect smoothing modeling

La production de masse de cavités accélératrices supraconductrices en régime radiofréquence (SRF) est un réel défi industriel non seulement du fait du nombre croissant de cavité pour les futurs grands projets mais également de par les besoins en terme de fiabilité, reproductibilité et performances demandées très proches des limites physiques du Niobium. De nos jours, XFEL (DESY) et le LHC (CERN) sont les deux accélérateurs les plus importants utilisant la technologie supraconductrice. Des projets accélérateurs encore plus ambitieux, tels que l’ILC (International Linear Collider) et FCC (Future Circular Collider) sont en cours d’étude. Pour de tels projets, il est encore nécessaire d’améliorer les performances et de réduire les coûts de fabrication et d’opération avant d’engager la phase d’industrialisation.Une voie d’amélioration des performances et de réduction des coûts a été étudiée. Ceci consiste à améliorer les procédés de nettoyage des surfaces. En effet, la pollution et les dommages causés à la structure cristalline durant la fabrication d’une cavité supraconductrice doivent être impérativement retirés afin de garantir des performances optimales. Cette régénération des surfaces est couramment réalisée à l’aide de deux types de polissages chimiques : par BCP (Buffered Chemical Polishing) ou par électro-polissage (EP). Cependant, ces techniques utilisent des acides très concentrés qui entrainent des coûts d’opération très conséquents du fait des problèmes de sécurité. Une voie d’amélioration pouvant rendre possible la construction de telles machines serait de remplacer totalement ou partiellement l’utilisation des acides par des techniques de polissage alternatives.Le polissage mécanique a été étudié durant des décennies et plus spécifiquement les techniques par centrifugation (CBP). Cette technique permet d’atteindre des rugosités de surface bien meilleures et est bien plus efficace pour retirer certains défauts de surface comparé aux procédés chimiques. Cependant, cette technique n’est pas envisageable comme solution alternative à cause des fortes pollutions de surface et des durées de traitement très longues. La première partie de la thèse a consisté à reproduire l’état de l’art, comprendre les limitations réelles de cette technique et essayer d’améliorer le procédé en réduisant la pollution de surface générée par le piégeage des abrasifs en surface ainsi que la durée de traitement (réduction du nombre d’étapes intermédiaires). Il a été conclu que ce procédé ne peut pas être considéré comme alternatif mais complémentaire aux traitements chimiques.La deuxième partie du travail de thèse s’est concentrée sur la méthode de polissage métallographique. Cette dernière ne peut s’appliquer que sur plaques et non sur des géométries complexes, cependant elle retire très efficacement toutes les impuretés et dommages cristallins formés durant la fabrication des tôles de Niobium. Un procédé optimisé à 2 étapes, inspiré des techniques conventionnelles (typiquement 5-6 étapes) a été développé avec succès et optimisé pour les contraintes particulières du Niobium pour les applications SRF. Ce procédé permet non seulement d’obtenir une rugosité de surface incomparable mais préserve également la structure cristalline. Des études complémentaires sont encore requises afin d’améliorer les techniques de formage des tôles ou même caractériser des solutions alternatives permettant des limiter les dégâts en surface et de préserver la qualité du matériau.Finalement, ce travail mené est d’une importance capitale pour le futur des cavités accélératrices supraconductrices, c’est-à-dire l’utilisation de nouveaux matériaux supraconducteurs sous forme de couche mince. La qualité des couches minces de ces matériaux alternatifs dépend très fortement de l’état de surface du substrat (typiquement niobium ou cuivre poly cristallin). / Large-scale production of superconducting radio-frequency (SRF) cavities is an industrial challenge, not only because of the increasing number of unit for future projects but also because of requirements in term of reliability, reproducibility and performances very close to the physical limit of polycrystalline bulk Niobium. Nowadays, XFEL (DESY) and LHC (CERN) are the largest existing accelerators which are based on SRF technology. Even more challenging SRF accelerator projects like ILC (International Linear Collider) and FCC (Future Circular Collider) are being studied. For such large-scale facilities, higher performances, reduction in fabrication and operation costs are required and essential to proceed with industrialization.A pathway to reduce these costs and improve performances has been studied in this work. It consists in optimizing the cleaning process of cavity surfaces. Indeed, pollution and crystal defects on the surface created during fabrication steps of a SRF cavity have to be removed to ensure optimal superconducting performances. In order to get rid of impurities and to recover crystal structure, two polishing techniques are routinely used: the buffered chemical polishing (BCP) and electro-polishing (EP). However, these techniques involve highly concentrated acids, which lead to high operation costs and safety concerns. A way to overcome the aforementioned drawbacks and make the construction of future accelerators possible would be to replace or complement the conventional chemical polishing by alternative polishing techniques.Mechanical polishing has already been applied in SRF-community for decades by using centrifugal barrel polishing (CBP). This technique could provide a better surface roughness and could be more efficient at removing some surface defects compared to EP and BCP. However, this process does not satisfy requirements for large-scale production due to strong surface pollution and an extremely long processing time. The first part of the PhD work consisted in reproducing the state of the art, understanding its limitations and optimizing the recipe by the reduction of the surface pollution (embedded abrasives) and processing time (reduction of intermediate steps). As a conclusion to this first study, CBP could only be a complementary polishing technique to chemical treatments.The second part of the work focused on metallographic flat polishing. This technique cannot be directly applied on enclosed geometries however, it can remove efficiently surface defects (impurities and crystal damages) created during the fabrication of Niobium sheet. A 2-step process, inspired from metallographic techniques (typically 5-6 steps) has been successfully developed and optimized on Niobium for SRF applications. This process provides not only an improved roughness compared to conventional chemical treatments but also preserve the crystal quality underneath the surface, over the field penetration depth. Additional studies have to be now carried out to optimize conventional forming process or characterize alternative techniques to limit surface damages and preserve material quality as much as possible.Last but not least, the work done is of first importance for the future of SRF cavities meaning the use of new superconducting materials as thin films. The quality of thin-films of alternative superconductors depends strongly on the surface state of the substrate, typically polycrystalline bulk Niobium or Copper.

La présente thèse concerne l'adhérence des pneumatiques avec les chaussées routières, et la possibilité de prévoir son évolution à l'aide d'essais de laboratoire et de modélisations. Tout d'abord, une méthodologie originale de polissage et de mesure de l'adhérence en laboratoire est présentée ; elle s'appuie sur la machine de Wehner et Schulze, développée en Allemagne. Grâce à elle, on peut mesurer l'évolution du coefficient de frottement avec la durée du polissage. Des chantiers routiers sont suivis dans le temps, afin de comparer la simulation en laboratoire et l'évolution réelle de l'adhérence. Parallèlement à la simulation expérimentale, des lois d'évolution sont établies. Un modèle à cinq paramètres est tout d'abord proposé, que l'on tente de relier aux caractéristiques des granulats (PSV, diamètre maximal, microtexture, etc.). Ensuite, un modèle plus physique est ébauché, explicitant les mécanismes de vieillissement et de décapage du bitume, et de polissage des granulats. Un coefficient d'équivalence entre le trafic poids lourd et le nombre de cycles d'usure en laboratoire est proposé, devant permettre à terme de choisir entre différents matériaux de couche de surface, et de prévoir l'évolution de l'adhérence d'une chaussée neuve. Enfin, les profils de surface sont examinés à différents états de polissage, dans le but de relier l'évolution de l'adhérence aux paramètres de rugosité, et aux caractéristiques des granulats (PSV, MDE, LA).

Cette thèse présente divers aspects du polissage des eaux usées de galvanoplastie par des zones humides artificielles : analyse de la performance, étude de la configuration et de la mise en œuvre, influence de différentes sources de carbone, évolution du substrat, l'analyse des plantes et des problèmes de conception.Les objectifs de ce travail sont triples: (i) étudier la faisabilité du polissage des effluents de la galvanoplastie, (ii) étudier l'influence des systèmes opérationnels, des plantes, du substrat et de la charge des eaux usées, (iii) comprendre les mécanismes conduisant à une diminution de la charge métallique dans des microcosmes de zones humides construites.Ce travail a fourni de nouvelles informations et élargi les connaissances actuelles sur le traitement des eaux usées industrielles dans les zones humides artificielles. En fait, il s'agit, à notre connaissance, de la première étude concernant l'élimination des métaux et du cyanure d'eaux usées par des zones humides artificielles en écoulement de sub-surface. / This thesis presents various aspects of polishing the electroplating wastewater in constructed wetlands: analysis of the performance, study on the operation and configuration effects, effects of various carbon sources, analysis of the substrate (bed media), analysis of plants, and design issues.The goals of the experiment were to: (i) study the feasibility of polishing electroplating effluent, (ii) study the effect of operating schemes, plants, bed media and wastewater strength, (iii) to elucidate metal removal mechanisms in the CW microcosms.This study furnished new information and expanded the existing knowledge on industrial wastewater treatment in constructed wetlands. In fact, this is, to the best knowledge, the first publication studying the removal of metals and cyanide from electroplating wastewater in subsurface flow constructed wetlands. The aim of this study was to study the polishing of the electroplating wastewater pretreated using physical-chemical methods.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des mécanismes physico-chimiques mis en jeu lors du polissage mécano-chimique du Zerodur® (vitrocéramique) par un abrasif à base d’oxydes de cérium. Les défauts obtenus à l’issu du polissage ont été caractérisés en microscopie optique et par microscopie à force atomique (AFM). Il en ressort deux principales populations, à savoir des rayures de type « fines » (longitudinales et continues) causées par des débris de matière polie. La seconde est la typologie « rayure éclat » (fractures perpendiculaires au sens de la rayure) causées par des agglomérats d’abrasif. Des analyses en spectroscopie RX de l’abrasif montrent une augmentation du ratio Ce3+/Ce4+ après la phase de polissage, confirmant la part chimique du polissage du Zerodur®. Des analyses de potentiel zêta ont été menées sur ces mêmes abrasifs et montrent une évolution de la charge de surface des particules abrasives. Des observations AFM montrent que plus la part Ce4+ est importante et meilleure est la qualité finale de la surface polie. La surface polie a également été sondée en ToF-SIMS. Il en ressort la présence d’une couche enrichie en cérium de plusieurs dizaines de nanomètres, lieu de la réaction mécano-chimique de polissage. Plus précisément, cette réaction semble avoir lieu dans la phase vitreuse du Zerodur®. / This PhD work focuses on the study of the physicochemical mechanisms involved in the chemical-mechanical polishing of Zerodur® (glass-ceramics) with an abrasive based on cerium oxides. The defects observed after polishing were characterized by optical microscopy and atomic force microscopy (AFM). Two main populations were observed, namely "fine" (longitudinal and continuous stripes) caused by debris of polished material. The second is called "scratch" (perpendicular fractures) caused by abrasive agglomerates. RX spectroscopic analyzes of the abrasive showed an increase in the Ce3+/ Ce4+ ratio after the polishing phase. This point confirms the chemical part of Zerodur® polishing. Zeta potential analyzes were carried out on these same abrasives and show an evolution of the abrasive surface charge. AFM observations show that the higher the Ce4+ concentration, the better the final polished surface quality. The polished surface was also probed with ToF-SIMS analyzes. This shows the presence of a cerium-enriched layer of several tens of nanometers, which may be a site for the chemical-mechanical polishing reaction. More precisely, this reaction seems to take place in the glassy phase of Zerodur®.

Le kilogramme reste encore aujourd'hui la seule des sept unités de base du Système International (SI) définie par un étalon matériel appelé le prototype international du kilogramme. Ce prototype est un cylindre constitué d'un alliage de platine iridié (90%Pt-10%Ir) faisant par définition 1 kg exactement. Ce prototype ainsi que tout autre étalon de masse sont exposés à de nombreuses sources de contamination faisant évoluer leur masse malgré les précautions mises en oeuvre. Cette définition pose donc le problème de la pérennité et de l'universalité de l'unité de masse. C'est pourquoi de nouvelles pistes de recherche essayent de relier l'unité de masse à une constante physique fondamentale. Ces expériences pourraient conduire à une nouvelle définition. Ainsi, depuis 2000, le projet français de la balance du watt a été lancé afin de relier l'unité de masse à la constante de Planck. Parmi les options retenues pour réaliser le dispositif expérimental, le choix du matériau de la masse de transfert est particulièrement important puisque celle-ci sera très proche d'un circuit magnétique délivrant une induction de 1 T. Par conséquent, ce matériau doit non seulement avoir une susceptibilité magnétique volumique la plus faible possible (de l'ordre de 10-5) mais aussi présenter toutes les propriétés indispensables aux matériaux de la métrologie des masses (bonne dureté, forte masse volumique, alliage homogène,...). Certains alliages comme l'or-platine ou des matériaux comme l'iridium pourraient satisfaire ces critères. Afin de comparer les « performances »de ce nouveau matériau, le platine iridié a été choisi comme alliage de référence. Pour comprendre les mécanismes d'évolution de la masse en tenant compte de l'état de surface, du nettoyage et des conditions de conservation de ces étalons, il est indispensable de caractériser l'état de surface par des méthodes rugosimétriques, d'évaluer la stabilité par des méthodes de comparaisons de masse, et de caractériser les contaminants de surface par des méthodes spectrométriques. Dans le cadre de ces travaux de recherche, nous avons utilisé des techniques déjà présentes au sein de l'Institut National de Métrologie comme la technique de l'effet mirage pour l'étude de l'adsorption de solvants de nettoyage, un rugosimètre optique pour caractériser l'état de surface et le polissage, un comparateur de masse de 100 g pour étudier la stabilité après nettoyage mais aussi un nouveau dispositif de Spectrométrie de masse de Thermodésorption pour l'étude des molécules physisorbées.