<p> Flexible manufacturing systems and lean production philosophies are in increasing industrial demand. Multiple manufacturing processes integrated into stand alone automated equipment can be utilized to greatly reduce operation costs. New technologies are continually being developed that can be easily combined with related manufacturing processes. Flexible machining and surface hardening operations can be realized in a single set-up by integrating a high-power diode laser (HPDL) within a machine tool structure.</p> <p> The following research presents the concept of integrated laser surface hardening within a machine tool environment. Experimental work was performed using a HPDL for transformation hardening of AISI 4140 steel.</p> <p> Both quasi-steady analytical and transient finite element heat transfer models have been developed. Solutions of the models are compared, which show that the more sophisticated finite element modeling is necessary only if accuracy of peak surface temperature is important. Otherwise, the simpler but faster analytical model can be used to describe the temperature profiles during laser heating.</p> <p> A novel approach using temperature indicating lacquers was shown to be a simple and reliable tool for temperature measurement. The analytical model was further used to find a best fit with the experimental measurements to estimate the fraction of laser power absorbed by the workpiece surface. With the aid of the model, it was shown that the austenite transformation temperature is highly dependent on the scanning speed. For slower speeds, the transform temperature was closer to the A3 temperature given by the iron-iron carbide phase diagram. Tests performed at faster scanning speeds indicated transformation temperatures as high as 1230 °C.</p> <p> Experiments were divided into three series. The first series was performed at slow scanning speeds (200-1000 mm/min) and low laser powers (200-500 W). Hardening was executed on flat workpieces with the laser scanning along a linear path. The second and third test series were performed at fast scanning speeds (2000-8000 mm/min) and higher laser powers (1000-2000 W) with hardening done on rotating cylindrical workpieces. The third tests series consisted of two laser passes in an attempt to increase the penetration depth of the hardened layer. These tests resulted in severe distortion due to melting that would require nearly the entire hardened layer to be machined away post heat treatment. However, if the melting temperature is not significantly exceeded multiple laser passes could be used to increase the thickness of the hardened layer.</p> <p> Higher case depths were realized for the slow tests since these tests have a greater laser-work interaction time. During laser treatment, the uncoated workpieces were left exposed to allow for oxidation and melting in order to increase the fraction of absorbed laser power. The absorptivity is shown to be as high as 85% for these tests.</p> <p> Results are presented in a form useful in selection of laser power and scanning speed to obtain the desired level of hardening, without having to resort to complex analytical or numerical models. Investigations into in-process monitoring show that measurement of surface temperature using an infrared thermometer could be used to control the generated hardened layer reducing process scrap.</p> / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Thesis (M.S.)--Miami University, Dept. of Physics, 2005. / Title from first page of PDF document. Document formatted into pages; contains [1], ix, 93 p. : ill. Includes bibliographical references (p. 88-93).

Les systèmes d’imagerie médicale, principalement les systèmes à rayons X, sont devenus incontournables dans le diagnostic et le traitement des maladies complexes. Le générateur à rayons X fait partie des sous-systèmes critiques d’un système à rayons X. La technologie des générateurs à rayons X se complexifie et les contraintes vues par les composants augmentent. L’évaluation de la fiabilité du générateur à rayons X est par conséquent nécessaire afin d’optimiser la durée de vie de ce dernier. Dans ces travaux de thèse, une méthodologie d’évaluation de la fiabilité d’un générateur à rayons X est proposée. La méthodologie repose sur l’évaluation de la fiabilité allant du composant au système. Des essais de vieillissement sont d’abord réalisés au niveau des composants critiques du générateur afin d’identifier les mécanismes de défaillance et de construire les courbes de durée de vie permettant d’effectuer une prévision de fiabilité. Les paramètres du recueil de fiabilité FIDES ont aussi été utilisés pour construire les courbes de durée de vie des composants critiques. Une méthode de prévision de la fiabilité basée sur l’hypothèse du dommage cumulé avec la règle de Miner est proposée pour évaluer la durée de vie des composants critiques sous contraintes thermomécaniques. Cette méthode utilise les règles de comptage rainflow pour obtenir une distribution des différences de température vues par les composants critiques. Une association de fiabilité permet enfin d’estimer la durée de vie de chaque sous système du générateur à rayons X à travers ses composants critiques. / Medical imaging systems, mainly X-rays imaging systems, have become essential in the diagnosis and treatment of complex diseases. X-rays generator is one of the critical subsystems of a medical system. Its technology became more complex and constraints seen by the components increase. An assessment of X-rays generator reliability is therefore necessary to optimize its lifetime. In this thesis, a reliability assessment method of an X-rays generator is proposed. The methodology is based on the assessment of the reliability from component to system. Aging tests are first performed for X-rays generator critical components in order to identify failure mechanisms and build lifetime curves for performing reliability prediction. FIDES guide parameters were also used to construct critical components lifetime curves. A reliability prediction method based on the assumption of cumulative damage with Miner's rule is proposed to evaluate critical components lifetime under thermomechanical stresses. This method uses rainflow counting rules for the temperature cycles distribution of critical components. A reliability block diagram is finally used to estimate the lifetime of each X-ray generator subsystem through its critical components.

Les composants actifs en électronique de puissance sont principalement à base de Silicium. Or, le silicium a des limites en termes de température d’utilisation, fréquence de commutation et de tenue en tension. Une alternative au Si peut être les semi-conducteurs à grand gap tels que le SiC-4H. Grâce aux travaux de plusieurs équipes de chercheurs dans le monde, les performances s’améliorent d’année en année. Le laboratoire AMPERE conçoit, réalise et caractérise des composants de puissance en SiC-4 H. Cette thèse s’inscrit dans les projets SiCHT2 et VHVD du laboratoire. Le travail réalisé au cours de cette thèse repose sur la conception la fabrication et la caractérisation électrique de composantes haute tension en SiC-4H. Les paramètres de protection pour la diode bipolaire 6500V sont optimisés à l’aide des simulations à base d'éléments finis. Les paramètres du SiC pour les modèles utilisés pour la simulation sont développés par des travaux précédents. Ensuite, le masque est dessiné. La diode est réalisée chez IBS. La première caractérisation est effectuée avant le recuit post-métallisation en directe et inverse sans passivation finale. Après le recuit post-métallisation la résistance de contact est plus faible. La caractérisation de la tenue en tension a été effectuée à AMPERE puis à l’ISL à très haute tension. A l’aide de simulations à base d'éléments finis, les paramètres tels que la résistance de contact et la durée de vie des porteurs ont été affinés à partir des caractérisations électriques obtenues par l’expérience. Les autres travaux portent sur la conception, les optimisations et les fabrications des diodes 10 kV et transistors 6500 V. / The power devices are mainly based on silicon. Silicon devices have limitations in terms of operating temperature, switching frequency and breakdown voltage. An alternative can be semiconductor wide band gap devices such as 4H-SiC. Through the work of several teams of researchers around the world, the performance of the power devices in 4H-SiC improve year by year. At ampere laboratory, design, fabrication and electrical tests of 4H-SiC devices are performed. The work done in this thesis is the design, fabrication and electrical characterization of 4H-SiC power devices with a high breakdown voltage. The parameters of the edge termination are optimized using simulations based on finite elements method. The parameters of 4H-SiC during the simulation are based on previous works. Then the mask is drawn. The diodes are manufactured by IBS. First the characterization in forward and reverse mode is done before the ohmic contact annealing. The diode passivation is a single SiO2 layer. After ohmic contact annealing, the contact resistance is lower. The characterization of the breakdown voltage is performed at AMPERE and at ISL for very high voltage. Parameters such as contact resistance and carrier lifetime are estimated by fitting measured electrical characteristics with results of finite element simulation. The design of the diodes 10 kV and bipolar junction transistor 6500 V is also part of this work. This work has been performed for 2 different projects VHVD with ANR for the financial support and SiCHT2 with DGCIS for the financial support.

This diploma thesis is focused on studying the influence of different types of surface treatments on vibropressed product. The main goal is to characterize surface treatments consisting of application of surface coatings that are hardened by infrared or ultraviolet radiation. Theoretical part gives specifications already known methods for surface finishing. Briefly describes selected types of prefabricated concrete parts and specificate the requirements for these products. It also describes used test methods. The experimental part was aimed at establishing the effectiveness of changing properties concrete products by adding coatings on their surface. This was achieved by testing the properties of concrete paving blocks with modified surfaces and testing of reference blocks that did not have any surface treatment followed by mutual comparison of the results.

Le carbure de silicium (SiC) possède plusieurs propriétés exceptionnelles comme une large bande interdite, un champ électrique critique et une vitesse de saturation des porteurs élevée pour remplacer le silicium (Si) dans des domaines de fonctionnement jusque-là inaccessibles avec le Si. Un nombre important de démonstrateurs des composants de puissance en SiC faisant état de performances remarquables ainsi que la disponibilité commerciale des composants en SiC confirment la maturité de la filière SiC et montrent les progrès technologiques réalisés au cours des dernières années. Cependant, il existe peu d’études sur les coefficients d’ionisation du SiC, lesquels sont pourtant indispensables pour prévoir précisément la tenue en tension des composants de puissance en SiC. Ce travail contribue donc à mieux déterminer ces coefficients. Pour cela, un bon nombre de diodes spécialement conçues pour la détermination des coefficients d’ionisation du SiC par la technique OBIC (Optical Beam Induced Current) ont été réalisées sur différents wafers de SiC-4H et de SiC-6H, deux polytypes courant du SiC. Cette technique repose sur un faisceau de laser ultraviolet qui génère des paires électrons-trous dans la zone de charge d’espace d’une diode sous test. La mesure du courant résultant permet d’accéder aux coefficients d’ionisation. A partir des mesures OBIC sur les diodes réalisées, nous avons pu déduire les coefficients pour ces deux polytypes du SiC. Plus particulièrement, les coefficients d’ionisation du SiC-4H sont déterminés dans une large gamme de champ électrique grâce aux mesures sur les différents dopages. Les paramètres des coefficients déterminés dans ce travail peuvent être utilisés en conception de dispositifs haute tension pour prédire plus précisément l’efficacité de leur protection périphérique. / Silicon carbide (SiC) has several exceptional properties as a wide band-gap, a high critical electric field and a high saturation velocity of carriers to replace silicon (Si) in the applications previously inaccessible with Si. A significant number of SiC power devices showing outstanding performances and the commercial availability of SiC devices confirm the maturity of SiC industry and show the SiC technological advances in recent years. However, there are few studies on the ionization coefficients in SiC, which nevertheless essential to accurately predict the breakdown voltage of SiC power devices. This work contributes to better determine these coefficients. For this, numerous diodes which are specifically designed for the determination of ionization coefficients in SiC by using OBIC (Optical Beam Induced Current) technique were realized on different wafers of 4H-SiC and 6H-SiC, two usual polytypes of SiC. This technique relies on an ultraviolet laser beam which generates electron-hole pairs in the space charge region of a diode under test. The resulting current measurement provides access to the ionization coefficients. From OBIC measurements performed on the diodes, we were able to deduce the ionization coefficients for the both polytypes of SiC. In particular, the ionization coefficients for 4H-SiC are determined in a wide range of electric field through measurements on devices with different doping level. The parameters of ionization coefficients determined in this work can be used in design of high voltage devices to predict more accurately the efficiency of periphery protections.

Dans le contexte des transports plus électriques, les parties mécaniques tendent à être remplacées par leurs équivalents électriques plus petits. Ainsi, le composant lui-même doit supporter un environnement plus sévère et de lourdes contraintes (haute tension, haute température). Les composants silicium deviennent alors inappropriés. Depuis la commercialisation des premières diodes Schottky en 2001, le carbure de silicium est le matériau reconnu mondialement pour la fabrication de dispositifs haute tension avec une forte intégration. Sa large bande d'énergie interdite et son fort champ électrique critique permettent la conception de transistors à effet de champ avec jonction (JFET) pour les hautes tensions ainsi que les diodes associées. Les structures étudiées dépendent de nombreux paramètres, et doivent ainsi être optimisées. L'influence d'un paramètre ne pouvant être isolée, des méthodes mathématiques ont été appelées pour trouver la valeur optimale. Ceci a conduit à la mise en place d'un critère d'optimisation. Ainsi, les deux grands types de structures de JFET verticaux ont pu être analysés finement. D'une part, la recherche d'une structure atteignant les tensions les plus élevées possible a conduit à l'élaboration d'un procédé de fabrication complexe. D'autre part, un souci de simplification et de stabilisation des procédés de fabrication a permis le développement d'un composant plus simple, mais avec une limite en tension un peu plus modeste. / In the context of more electrical transports, mechanical devices tend to be replaced by their smaller electrical counterparts. However the device itself must support harsher environment and electrical constraints (high voltage, high temperature) thus making existing silicon devices inappropriate. Since the first Schottky diode commercialization in 2001, Silicon Carbide (SiC) is the favorite candidate for the fabrication of devices able to sustain high voltage with a high integration level. Thanks to its wide band gap energy and its high critical field, 4H-SiC allows the design of high voltage Junction Field Effect Transistor (JFET) with its antiparallel diode. Studied structures depends of many parameters, that need to be optimized. Since the influence of the variation of each parameter could not be isolated, we tried to find mathematical methods to emphase optimal values leading to set an optimization criterion. Thus, two main kinds of JFET structure were finely analyzed. In one hand, the aim of the structure that can sustain a voltage as high as possible leads to a complex fabrication process. In the other hand, the care of a simplification and a stabilization of manufacturing process leads to the design of simpler device, but with a bit less sustain capabilities.