Le laminage transversal, procédé de mise en forme des métaux essentiellement développé " à chaud ", permet d'obtenir des bruts de haut niveau de qualité en réalisant un gain notoire sur l'engagement matière face à d'autres procédés. Les travaux de thèse dressent l'état de l'art de cette technologie complexe et mal connue en France ; ils s'appuient sur une bibliographie dense et diversifiée pour synthétiser les lois qui régissent ce procédé et identifier les paramètres significatifs. Les conditions du contact pièce/outil étant prépondérantes, la mesure de la pression de contact est développée sur des matrices instrumentées afin de caractériser la sévérité des efforts. Des préformes en acier, titane et alliage base cuivre-aluminium avec simple réduction de diamètre sont fabriquées pour mettre en évidence les spécificités du contact pièce-matrice au niveau tribologique et rhéologique. En vue de démontrer que la condition d'entrainement en rotation des pièces est un facteur clé de pilotage du procédé, de nombreux essais expérimentaux pointent le rôle de la texture de surface pour l'obtention de pièces sans défaut, ainsi que son influence sur l'histoire thermomécanique interne. Les nombreuses difficultés liées à la mise au point d'outillages sont identifiées sur la base d'observations expérimentales et ensuite intégrées dans une démarche de conception d'outillage. Une procédure de conception d'outillage est ainsi proposée en s'appuyant sur une synthèse de règles issues de la bibliographie ainsi que de règles déterminées par les travaux expérimentaux. Une étude de cas sur une préforme " balustre " est traitée ; elle intègre la conception des matrices, la simulation numérique avec le logiciel FORGE© ainsi que les essais de mise au point d'outillage sur un banc développé à l'ENSAM. Une vision d'ensemble sur le procédé et les paramètres qui le gouvernent est finalement proposée.

Les applications utilisant les procédés de fabrication directe par laser et projection de poudre sont en pleine expansion, en particulier, dans l'aéronautique. Néanmoins, cette technologie prometteuse fait état de quelques points durs et est confrontée aux problèmes d'instabilités du procédé. Lorsque ces phénomènes ne sont pas maîtrisés, cela conduit à des défauts (résistances mécaniques insuffisantes, porosités trop importantes, mauvais états de surface,….etc), qui, selon leur répartition et leur taille, risquent d'engendrer des non conformités, de détériorer les caractéristiques mécaniques des pièces et qui peuvent représenter un coût de post-traitement non négligeable. Par conséquent, il est primordial de maîtriser le procédé d'élaboration, afin de rendre le procédé de fabrication robuste et préserver l'intégrité structurelle de la pièce. Cela requiert la mise en place de système d'instrumentation du procède de projection laser, et par l'intermédiaire du contrôle procédé, d'avoir un système de commande temps réel permettant d'adapter les paramètres procédés en cours d'élaboration, afin de de maintenir une haute qualité de la pièce fabriquée. Dans cette perspective, nous avons développé une solution technologique (matérielle et algorithmique) à base de caméras (vision) permettant de suivre des paramètres clefs lors de la fabrication. L'application de ce système de vision a permis la mise en œuvre de méthodes innovantes, utilisant des outils de l'automatique moderne, pour surveiller l'état de pièces projetées, voire même corriger leurs défauts lors de la fabrication, en ayant un suivi et un contrôle du procédé en temps réel. De plus ce système de vision a permis à partir de mesures effectuées sur les entrées et les sorties du procédé, d'identifié un modèle dynamique qui ont conduit à la réalisation du système de contrôle procédé. / Applications using the direct metal deposition laser process have been expanded rapidly, particularly in aeronautics. However, this promising technology reported some difficult points and faced several problems, mainly the process instability. When these phenomena are not controlled, several defects was obtained (lack of mechanical strength, excessive porosity, poor surface, ... etc.). According to their distribution and size, non-conformity, deteriorate the mechanical characteristics of the parts was recorded and result in a significant cost of post-processing. Therefore, it is important to control the process, to make the process both robust and preserve the structural integrity of the piece. This requires the development of instrumentation through the control process, in order to have a real-time system able to adjust the process parameters to keep a high quality of the manufactured part. In this perspective, the studied thesis developed a technological solution (hardware and algorithms) based on cameras (vision) to monitor key parameters during manufacture. The application of this vision system has been allowed for the implementation of innovative methods by using modern automatic tools to monitor the status of the built part or even correct their defects during the manufacture parts, having a monitoring and process control in real time. Furthermore this vision system performed measurements for the inputs and outputs of the process, matched to a dynamic model that lead to the realization of the process control system.

La fabrication additive (FA) est devenue une nouvelle alternative pour la fabrication des pièces dans l'industrie. Cependant, il existe encore des limites pour ce procédé, en particulier la forme finale défavorable et les propriétés macroscopiques indésirables des pièces métalliques construites dans les systèmes de FA. La distorsion ou la fissure due à la contrainte résiduelle de ces pièces pose généralement de graves problèmes pour certains types de technologie de la FA métallique. Dans un système de FA, la qualité finale d'une pièce métallique dépend de nombreux paramètres de procédé, qui sont normalement optimisés par une série d'expériences sur des machines de FA. La simulation macroscopique dédiée au procédé de FA est une alternative potentielle pour les pièces métalliques fabriquées par la fabrication additive. Dans cette thèse, nous étudions d'abord le pré-processing de la simulation de FA par la méthode des éléments finis (FEM). Le procédé de fabrication additive est un phénomène multi-physique des champs couplés (champs thermique, mécanique et métallurgique). La simulation macroscopique est réalisée à deux niveaux différents. Au niveau de la couche, la reconstruction du modèle 3D est effectuée à partir du fichier de chemin de balayage de la machine de FA, basée sur la manipulation inverse de l'algorithme d'offsetting-clipping. Au niveau de la pièce, le modèle 3D de CAO est reconstruit dans un maillage des voxels, ce qui est pratique pour une pièce avec une géométrie complexe. Avec les températures de préchauffage différentes et les paramètres du procédé différents, la contrainte résiduelle d'une pièce est analysée. Ces simulations impliquent la technique potentielle pour réduire la contrainte résiduelle par l'optimisation des paramètres du procédé, au lieu de moyens traditionnels par augmenter la température de préchauffage. Basées sur la plateforme de simulation de FEM ci-dessus, deux simulations au niveau de ligne sont également étudiées dans cette thèse, visant à la relation entre le procédé de FA et la qualité finale de la pièce. Ces exemples démontrent la possibilité d'utiliser des simulations macroscopiques pour améliorer le contrôle de la qualité pendant le procédé de FA. Dans la première tâche, l'ensemble de données des paramètres de chauffage et la contrainte résiduelle sont générés par la simulation de FA. La corrélation entre eux est étudiée en utilisant des algorithmes de régression, tel que le réseau neuronal artificiel. Dans la deuxième tâche, un contrôleur de PID pour la boucle de rétroaction puissance-température est intégré dans la simulation de procédé de FA et l'auto-réglage de PID est numériquement étudié au lieu d'utiliser la machine de FA. Les deux tâches montrent le rôle important de la simulation de procédé macroscopique de FA, qui peut remplacer ou combiner les nombreuses expériences essai-erreur dans la fabrication additive métallique. / Additive manufacturing (AM) has become a new option for the fabrication of metallic parts in industry. However, there are still some limitations for this application, especially the unfavourable final shape and undesired macroscopic properties of metallic parts built in AM systems. The distortion or crack due to the residual stress of these parts leads usually to severe problems for some kinds of metal AM technology. In an AM system, the final quality of a metallic part depends on many process parameters, which are normally optimized by a series of experiments on AM machines. In order to reduce the considerable time consumption and financial expense of AM experiments, the numerical simulation dedicated to AM process is a prospective alternative for metallic part fabricated by additive manufacturing. Because of the multi-scale character in AM process and the complex geometrical structures of parts, most of the academic researches in AM simulation concentrated on the microscopic melting pool. Consequently, the macroscopic simulation for the AM process of a metallic part becomes a current focus in this domain. In this thesis, we first study the pre-processing of AM simulation on Finite Element Method (FEM). The process of additive manufacturing is a multi-physics problem of coupled fields (thermal, mechanical, and metallurgical fields). The macroscopic simulation is conducted in two different levels with some special pre-processing work. For the layer level, the reconstruction of 3D model is conducted from the scan path file of AM machine, based on the inverse manipulation of offsetting-clipping algorithm. For the part level, the 3D model from CAD is reconstructed into a voxel-based mesh, which is convenient for a part with complex geometry. The residual stress of a part is analysed under different preheat temperatures and different process parameters. These simulations imply the potential technique of reducing residual stress by the optimisation of process parameters, instead of the traditional way by increasing preheat temperature. Based on the FEM simulation platform above, two simulations at line level are also studied in this thesis, aiming at the relation between the AM process and part's final quality. These examples demonstrate the feasibility of using macroscopic simulations to improve the quality control during the AM process. In the first task, dataset of heating parameters and residual stress are generated by AM simulation. The correlation between them is studied by using some regression algorithm, such as artificial neural network. In the second task, a PID controller for power-temperature feedback loop is integrated into AM process simulation and the PID auto-tuning is numerically investigated instead of using AM machine. Both of the two tasks show the important role of AM macroscopic process simulation, which may replace or combine with the numerous trial and error of experiments in metal additive manufacturing.

A l’heure actuelle, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) les plus avancées, qu’elles soient disponibles commercialement ou intégrées dans des démonstrateurs, sont réalisées avec des électrolytes polymères perfluorosulfonés de types Nafion®. En effet, ce type de polymère est celui qui présente à la fois les meilleures performances et la plus grande durée de vie sans pour autant qu’elles soient suffisantes, et ce, quelles que soient les applications (portable, stationnaire, transport). En effet ce polymère présente toutefois trois inconvénients majeurs : son prix, sa perméation au méthanol et sa perte de performance (et surtout de conductivité) dès 80-85 °C. Selon les projections avec les technologies actuelles (source DOE), le prix de vente du Nafion® serait de 80 $/m2 pour une production de 1 Mm2. Il existe un réel besoin de développer de nouveaux matériaux pour membranes échangeuses de protons présentant d’excellentes performances (propriétés mécaniques, imperméabilité maximale au méthanol et H2, conduction protonique..) sur une large gamme de températures, typiquement entre 25 et 150°C (selon l’application visée), mais présentant également un coût de fabrication réduit. Or aujourd’hui, ces différentes fonctions sont assurées par un seul polymère perfluorosulfoné ce qui est le problème principal. Ainsi, l’intérêt du projet est de combiner les avantages d’un matériau hybride obtenu par génération in situ de la phase inorganique (Sol-Gel) nanométrique avec l’utilisation d’un procédé en continu de mise en œuvre par extrusion (voie fondu), exempt de tout solvant et facilement transférable industriellement. La conduction protonique sera assurée par des fonctions sulfoniques générées grâce à l'oxydation des sites fonctionnels apportés par le précurseur fonctionnel. / Fuel cells technologies are electrochemical energy conversion devices and have a real potential to revolutionize the way to produce energy, offering cleaner, more-efficient alternatives to combustion of gasoline and other fossil fuels. In that way, the Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are probably the most studied. Those fuel cells are mainly based on perfluorosulfonic acid membranes, such as Nafion®. However, Nafion® membranes, present some limitations such as dehydration at high temperatures or at low relative humidity rate leading to a decrease of proton conductivity and thus poor PEMFC performance. Consequently, PEMFC require significant improvements prior to be largely used in the automobile field. Research efforts have been oriented on the development of new materials for the PEMFC membrane as it is the main limitative component for high temperature fuel cell. In the present contribution, we wish to report the validation of a new concept of hybrid materials for the realization of proton exchange membranes. The originality of this hybrid concept is based on the contribution of both phases’ specific properties. We investigated the preparation of hybrid materials based on an inert polymer matrix (low cost) providing the mechanical stability embedding inorganic phase providing the necessary properties of proton-conduction and water retention. Hybrid nanocomposite membranes were synthesized using evaporation and recasting technique from solution containing dispersion of inorganic particles in the adequate polymer. Scanning electron microscopy (SEM) images for membrane morphology and proton conductivity results using impedance measurements from hybrid membranes will be presented. The performance of the membrane-electrode assembly (MEA) using the hybrid membrane was also evaluated by a fuel cell test. Finally, we wish to present a promising way of research based on Sol-Gel approach to generate a proton-conducting inorganic phase into the polymer matrix.

Afin de pouvoir prédire le comportement des renforts de composites 3D interlock au cours d'un procédé de mise en forme, il est nécessaire de connaitre la position des mèches dans le renfort durant la phase de préformage du procédé. Les travaux présentés ici traitent de la simulation du préformage de renforts 3D épais à l'aide d'un élément fini hexaédrique semi-discret spécifique. En utilisant le principe des travaux virtuels, on distingue le travail interne virtuel dû à la tension des mèches des autres travaux virtuels. La raideur due aux tensions de mèches, qui constitue la contribution principale de la rigidité du matériau, est prise en compte à l'aide de barres incluses dans les éléments. Les rigidités dues aux autres sollicitations, comme la compression transverse, les cisaillements ou les frottements inter-mèches, sont décrites par un matériau continu additionnel. La combinaison de ce modèle discret du premier ordre et d'un matériau continu hyperélastique anisotrope dit du second ordre, pour formuler le comportement du matériau va permettre la simulation du préformage des renforts tissés épais. Conjointement aux travaux sur la simulation, des travaux expérimentaux pour l'identification des paramètres matériau de la loi de comportement ont été définis et réalisés. Ces paramètres concernent les deux parties de la formulation du comportement. / In order to simulate 3D interlock composite reinforcement behavior during forming process, it is necessary to predict yarns positions in the fabric during the preforming stage of the process. The present work deals with thick 3D interlock fabric forming simulation using specific hexahedral semi-discrete finite elements. Using the virtual work principle, we distinguish the virtual internal work due to tensions in yarns from other internal virtual works. The stiffness relative to yarns tension which is the main part of the rigidity is described by bars within the elements. The other rigidities - like transverse compression, shears or friction between yarns - are depicted by a continuous additional material. A combination of this "first order" discrete model and a continuous orthotropic hyperelastic "second order" material formulation will enable us to simulate the interlock preforming process. Jointly to the simulation work, we also had to specify and perform experimental testing identification of material parameters. These parameters concern both parts of the model.