Texte remanié de: Diss.--Frankfurt am Main. / Bibliogr. p. 30307-335. Notes bibliogr. Index.

The theme of this thesis is the engineering design of the automaton for the ceramic moulds production for the shell casting technology. In the first part of the thesis I occupy with the design of the mechanical part of the machine including the kinematic, dynamic and strength calculations of the chosen engineering compositions and components. In the next part of the thesis I design the control part of the machine.

Le moulage à la cire perdue est une technique offrant une grande liberté de conception, une bonne précision dimensionnelle et un excellent état de surface, et ce, pour une large gamme d'alliages. Cependant, dans le cas des alliages de magnésium, les données disponibles dans la littérature sont plutôt rares voire contradictoires. Dans ce contexte, ce projet de doctorat avait pour objectif l'étude du procédé de moulage à la cire perdue en moule monobloc et des propriétés des pièces en alliage de magnésium AZ91D obtenues. Pour cela, trois volets ont été considérés. Nous avons tout d'abord évalué l'aptitude de l'alliage à remplir les cavités du moule. Les expériences effectuées nous ont permis de montrer que l'application d'un vide partiel dans le moule était indispensable pour assurer le bon remplissage de la cavité de moulage. Par ailleurs, le remplissage des moules est favorisé par une augmentation de l'épaisseur de la section à remplir, de la pression métallostatique, de la surchauffe de l'alliage liquide ainsi que de la température de préchauffage du moule. L'étude de la réactivité moule-métal et de ses conséquences sur le fini de surface a fait l'objet de la deuxième partie de ce projet. Nos travaux ont permis de clarifier les mécanismes associés aux réactions entre le moule et l'alliage liquide. Le magnésium liquide et ses vapeurs réagissent avec la silice contenue dans le moule selon la réaction 4Mg + SiCh = 2MgO + Mg2Si. Nous avons également montré que la température de coulée n'exerçait pas d'influence notable sur la réactivité, alors qu'une augmentation de l'épaisseur de la pièce et/ou de la température du moule favorisait les réactions. Finalement, la microstructure des échantillons à l'état tel que coulé a été caractérisée et les propriétés mécaniques en traction ont été déterminées. Les résultats montrent que les propriétés en traction excèdent les exigences minimales définies par la norme ASTM B-403. Il s'est également avéré que la conception du système de coulée jouait un rôle déterminant sur la qualité des pièces obtenues. La température de coulée et la température du moule n'ont que peu d'influence sur les propriétés des pièces, alors que l'épaisseur des pièces les affecte. Des particules Al-Mn, observées principalement à la surface des pièces moulées, ont été caractérisées. / Investment casting is used to produce complex shapes, with excellent dimensional accuracy and surface finish, from a wide range of alloys. However, in the case of magnesium alloys, the literature on the subject is rare, even contradictory. In this context, the objective of this work is to study the solid mould investment casting process and the properties of AZ91D magnesium alloy cast parts. Three aspects were considered. First, the capacity of AZ91D alloy to fill mould cavities was evaluated. Experiments showed that vacuum assistance is necessary to provide adequate mould filling. Mould filling was improved by raising section thickness, metal head, superheating and mould preheating temperature. The influence of process parameters on reactivity and surface finish was then examined. The mechanism associated with mould-metal reactions was clarified. Liquid magnesium and its vapours react with silica in the mould according to the reaction 4Mg + SiCh = 2MgO + Mg2Si. Casting temperature proved to have no noticeable influence on reactivity, whereas an increase in section thickness and/or mould temperature promotes mould-metal reactions. Finally, the microstructure of as-cast test specimens was characterized and the mechanical properties were determined. The tensile properties exceed the minimum requirements of the standard ASTM B-403. Gating design played a determining role on the quality of cast specimens. Casting and mould temperatures had little influence on microstructural and mechanical properties, whereas section thickness affected them. Al-Mn particles, mainly observed at the surface of cast parts, were also characterized.

Based upon a servey of the Université libre de Bruxelles medecine museum anatomical waxes collection, my Phd aims to study in an historical context the anatomical waxes fron the 18th Century to the 20th Century. We demonstrated who the didactical items created by sculpture ways appeared throw their successif uses from medical teaching to the prevention of the diseases of the time in the anatomical fairground attractions. Sur base d'une étude de la collection des cires anatomiques du musée de la médecine d'Erasme, ma thèse de doctorat vise à l'étude contextuelle de la production de cires anatomiques depuis la fin du 18e siècle jusqu'au 20e siècle. Nous avons montré comment ses objets didactiques, produits par des moyens sculpturaux, ont été perçu à travers leurs usages successifs depuis l'enseignement médicale jusqu'à la prévention sociale des maladies d'époque, au sein des musées anatomiques forains.

Cette étude concerne la précipitation "in-situ" de cristaux de monoborure de titane (TiB) au sein d'une matrice de titane ou d'un alliage pour une application aéronautique. Dans un premier temps, nous avons étudié la précipitation de TiB à partir de titane et d'alliage de titane (Ti-6Al-4V) ainsi que sa morphologie dans diverses conditions (phase solide, liquide et gaz). Il ressort que le procédé de fonderie associé au moulage en cire perdue semble être une méthode prometteuse pour l'amélioration de la résistance mécanique du titane associé au TiB. La fonderie du titane est un procédé associé (i) à des microstructures grossières et variables d'un point à l'autre, (ii) à une pollution superficielle des pièces et (iii) aux problèmes de fusion du titane (température de fusion élevée, forte réactivité vis à vis de l'atmosphère et du moule). Nous avons pu constater que l'incorporation du bore ne pose pas de problème particulier et la présence du TiB est bénéfique sur la microstructure car il diminue la taille des grains de phase alpha. L'étude du comportement mécanique en traction permet de mettre en évidence un gain de résistance. Pour une matrice de titane non allié, la résistance à la rupture et la limite d'élasticité sont doublées avec seulement 3% en volume TiB. Pour l'alliage de Ti-6Al-4V, le renforcement est moins spectaculaire que pour le titane mais demeure toutefois très intéressant et le meilleur matériau est obtenu pour 0,5% en volume de TiB. Les faciès de rupture laissent apparaître des cristaux de TiB clivés selon leur longueur. Le clivage des cristaux de TiB est à l'origine de l'initiation des fissures au sein du matériaux.

Les méthodologies de conception des grappes de fonderie reposent fondamentalement sur l’analyse de l’énergie dégagée par le métal au cours de sa solidification. En effet, l’interprétation de ces transferts thermiques permet de calculer localement le temps de solidification et donc d’identifier les points chauds d’une pièce de fonderie. Dans le cas du moulage en sable, ces échanges thermiques sont bien connus et depuis longtemps modélisés (Chvorinov). Leur modélisation correspond à un moule thermiquement infini, c’est à dire que toute l’énergie dégagée par le métal lors de sa solidification est absorbée par le moule. En revanche, dans le cas d’une carapace ou d’une coquille, une partie de cette énergie est transmise à l’environnement via le moule ; ainsi la modélisation la plus adaptée sera donc celle considérant le moule comme un milieu thermiquement fini. Des manipulations de référence ont permis d’acquérir une bonne compréhension des mécanismes thermiques intervenant dans ce procédé de fonderie et mettent en évidence toute la complexité des échanges, à la fois internes et externes au moule (qui se produisent en simultané pendant la phase de solidification du métal). Ces manipulations ont permis par ailleurs, à l’aide de modèles statistiques, d’estimer les paramètres physiques qui sont difficilement accessibles du fait de leurs dépendances et des conditions de travail expérimentales (les échanges avec le milieu ambiant, le coefficient d’échange et le flux entre le métal et le moule). Ces valeurs issues d'expérimentations réalisées en condition réelles serviront à alimenter les bases de données matériaux utilisées en fonderie et dans les simulations numériques. La démarche et les modèles développés dans le cadre de ce travail de thèse permettent un calcul plus fiable qui servira au dimensionnement des masselottes dans le cas du procédé à cire perdue. A plus long terme, cette démarche pourrait être étendue à d’autres procédés de fonderie puisque la méthodologie développée sur du moulage à cire perdue sera transposable aux cas des moules à noyau, des moules métalliques ou autres procédés similaires. / Design casting methodologies are based on the analysis of the energy released by the metal during its solidification. Indeed, the knowledge of this heat transfer permits to faithfully predict local solidification time and to identify last solidified zones. In the case of sand casting, heat exchanges are well known and have been modeled for a long time (Chvorinov). The last, modelize "thermally infinite mold" so in this case whole metal energy threw solidification phase is absorbed by the mold. In contrary, for a shell, a portion of metal energy is transmitted to environment threw the shell, so in this case, the most appropriate model is "a thermally finished mold". Reference experimentations gives a good understanding of energy / thermal mechanisms involved in the casting process and highlight both internal and external shell thermal exchanges complexity (which occur simultaneously during solidification metal). These manipulations allow to use inverse method to estimate hardly measured parameters (such as external heat transfer coefficient or metal-mold interfacial heat transfer), and therefore to build reliable thermal parameters databases used in numerical simulations. Methodology and models developed in this study allow a reliable sizing feed calculation for investment casting. On the long-range, this knowledge could be applied to other foundry processes since the methodology developed on investment casting will be transposed to core molds, die-casting or other molds.

En milieu extérieur les objets en cuivre et alliages cuivreux subissent des altérations qui entraînent des modifications physiques et esthétiques de l’œuvre. Pour limiter ces dégradations il convient de réduire les interactions entre la couche de corrosion et son environnement d’exposition en appliquant un traitement de protection. Ce travail de thèse propose d’étudier deux types de traitements de protection : une cire microcristalline (cire Cosmolloïd) et des solutions de décanoate (NaC10 et HC10). Pour cette étude des échantillons « modèles » en cuivre naturellement corrodés ont été utilisés afin de développer une méthodologie analytique visant à étudier le mode d’action et la pénétration des deux types de traitement de protection appliqués sur des couches de corrosion. Grâce à cette méthodologie il a été observé que bien que l’action en surface varie en fonction de la nature du traitement, la pénétration quant à elle semble dépendre essentiellement de son mode d’application.Un travail de remise en corrosion des échantillons traités a également été mené en conditions d’immersion et en corrosion atmosphérique sous cyclage d’humidité relative, à l’aide de traceurs isotopiques (D2O et 18O), afin d’évaluer qualitativement et de comparer l’efficacité des différents traitements de protection. Des dégradations sous UVB et lixiviation des traitements ont également permis d’étudier la tenue des traitements dans des conditions d’exposition extérieure. La détection des traceurs isotopiques dans les couches de corrosion par ToF-SIMS et analyses NRA, bien que n’ayant pas permis de conclure à une meilleur efficacité d’un type de traitement par rapport à l’autre, ont tout de même révélé des différences de tenues. Tandis que la cire microcristalline se dégrade rapidement sous rayonnement UVB par rapport au traitement HC10, le phénomène de lixiviation semble en revanche dégrader plus rapidement un traitement demeuré en surface de la couche de corrosion. / In outdoor environment copper and copper alloys objects undergo degradations that lead to physical and aesthetic modifications of the artwork. To limit these changes interactions between the corrosion layer and its exposure environment should be reduced by applying protective treatment. This project proposes to study two types of protective treatments: microcrystalline wax (Cosmolloïd wax) and decanoate solutions (NaC10 and HC10). For this study, naturally corroded copper "model" samples were used to develop an analytical methodology to study the action and penetration of the two types of protective treatment applied to corrosion layers. This methodology allowed to observe that although the surface action changes according to the nature of the treatment, the penetration seems to depend essentially on its application.Re-corrosion experiments of treated samples was also carried out under immersion conditions and atmospheric corrosion with relative humidity cycling, both using isotopic tracers (D2O and 18O) in order to qualitatively evaluate and compare the effectiveness of the protective treatments. Degradations under UVB and leaching off treatments also lead to a study of their behavior under conditions of external exposure. The detection of isotopic tracers in the corrosion layers by ToF-SIMS and NRA analysis, even though it wasn’t allow to conclude to a better effectiveness of one treatment over the other, nevertheless revealed holding differences. While microcrystalline wax degrades rapidly under UVB radiation compared to HC10 treatment, the leaching phenomenon seems to degrade more rapidly a treatment remaining on the surface of the corrosion layer.

La phototransformation des matières actives à la surface des plantes après pulvérisation a une influence considérable sur l'efficacité des traitements. Dans ce travail, l'ensemble des réactions photochimiques se produisant sur des supports modèles des cires végétales dans des conditions proches des conditions environnementales ont été étudiées dans le cas d'un fongicide (le chlorothalonil) et d'un herbicide (la cycloxydime). Nous avons considéré les réactions photochimiques induites par l'absorption de lumière par les composés eux-mêmes et celles faisant intervenir des sensibilisateurs comme les métabolites secondaires des plantes. Dans chacun des cas, des études mécanistiques détaillées ont été conduites. Nous montrons que le chlorothalonil possède la capacité remarquable de produire de l'oxygène singulet avec un rendement quantique proche de l'unité. En parallèle, la réactivité de la cycloxydime avec l'oxygène singulet a été montrée. De ce fait, la phototransformation de la cycloxydime sur film de cire est accélérée lorsque des sensibilisateurs naturels, tels que les phytoalexines sont ajoutés à la cire, ou lorsque des traces de chlorothalonil sont présents à la surface du modèle foliaire. Ce travail a permis 1) de comprendre le mécanisme de phototransformation par excitation directe et sensibilisées du chlorothalonil et de la cycloxydime, 2) de mesurer de nombreuses données physico-chimiques (constantes de vitesse de réaction, rendements quantiques, durées de vie, caractéristiques spectrales des transitoires) et 3) de mettre au point un protocole expérimental permettant d'étudier la photochimie de molécules à l'état solide incluses dans des films de cire.

La collaboration entre artistes et scientifiques accompagne, depuis le XVIe siècle, une évolution des représentations d’un corps de plus en plus morcelé. La théorie de la plasticité neuronale, aussi révolutionnaire pour certains que celle de Copernic ou de Darwin, a esquissé les lignes de nouveaux paradigmes scientifiques, mais aussi philosophiques et sociaux, sur lesquels les artistes contemporains s’appuient de manière poétique, parfois ironique et dénonciatrice. De la fétichisation de la science à la manipulation des concepts et protocoles récents, certains modes d’expression plastiques s’appuient aussi sur l’avancée spectaculaire et stimulante des biotechnologies. Les questions de déformation, d’impermanence et d’interaction accompagnent celle de plasticité, qu’elle soit neuronale, physique ou qu’elle concerne les matériaux. Cette thèse analyse, à partir des éléments de ce contexte, les enjeux de démarches d’artistes aux prises avec ces plasticités à l’œuvre. Prenant en considération le rapport d’influence réciproque qui existe entre plasticité cérébrale et corporelle, j’analyse aussi l’impact d’une pratique méditative ou énergétique sur toute démarche humaine, et plus précisément sur celle de l’artiste par l’élargissement de ses champs perceptifs et créatifs. Je questionne ainsi l’impact du shintaïdo, art martial japonais, sur ma poïèse. L’usage de la cire, matériau plastique à la fois modeste et sacré, est confronté à celui de la toile brute, extirpant de la matière cérébrale mais aussi corporelle des cartographies à la syntaxe mystérieuse, telles des errances nomades telluriques devenues aujourd’hui plus aériennes / Since the 16th century, the collaboration between artists and scientists has gone along with an evolution of representations of a more and more fragmented body. The neuroplasticity theory, as revolutionary for some people as the one of Copernicus or of Darwin, has made a start on the lines of new scientific, but also philosophical and social paradigms, on which contemporary artists rely in a poetic, sometimes ironic and denunciatory way. From the high value given to science to the recent protocols and concepts manipulation, some artistic techniques also rely on the spectacular and stimulating breakthrough of biotechnologies. The questions linked to distortion, impermanence and interaction come with those of plasticity, being neuronal, physical or in connection with materials. From these context elements, this thesis analyzes the issues linked to the approaches from artists grappling with these plasticities at work. Taking into consideration the mutual influence relationship existing between brain and body plasticity, I also analyze the impact of Shintaido, a Japanese martial art, on my poïesis. The use of wax, a both modest and sacred plastic material, is confronted to the use of raw canvas, dragging out maps with a mysterious syntax from brain and body matter, like telluric nomadic wanderings that have become more ethereal today.

Dans une démarche pluridisciplinaire, qui emprunte aussi bien aux sciences humaines et sociales (archéologie, histoire des techniques, réexamen des textes anciens) qu’aux sciences chimiques (science des matériaux, métallurgie expérimentale, chimie analytique), cette recherche vise à reconstituer l’évolution des techniques de fonte à la cire perdue, depuis les plus anciens témoignages de son utilisation à Mehrgarh (Pakistan, 5e millénaire av. J.-C.) jusqu’aux premières grandes statues de bronze dans le monde égéen (fin du VIe, début du Ve s. av. J.-C.).L’étude des objets a parfois nécessité des développements analytiques spécifiques pour pallier à leur très forte altération, comme par exemple l’imagerie de photoluminescence synchrotron. Cela a notamment permis de reconstituer en détail la chaîne opératoire de fabrication de la rouelle de Mehrgarh, l’une des plus anciennes fontes à la cire perdue connue à ce jour. Sur la base de ces résultats, il est suggéré que la fonte à la cire perdue pourrait avoir été inventée pour donner la possibilité aux individus non métallurgistes de créer des objets importants en métal tels que ces amulettes, par le biais du façonnage d’un modèle en cire.Nous montrons que la cire perdue a ensuite été mise à profit pour donner naissance à une nouvelle forme de sculpture, la statuaire de métal. Au prix de parois très épaisses et d’assemblages mécaniques, nous mettons en évidence une première période de production de grandes statues en Mésopotamie pendant la deuxième moitié du 3e millénaire av. J.-C. Après un long hiatus, la grande statuaire métallique renaît de façon spectaculaire pendant la première moitié du 1er millénaire av. J. C., à la fois dans les mondes égyptien, sabéen et égéen. Nous identifions deux innovations importantes responsables de cette renaissance : le procédé indirect et l’assemblage soudé.Des essais de coulabilité effectués en faisant varier la composition de l’alliage et le matériau du moule sont présentés dans la dernière partie de notre travail. En moule de plâtre et avec un fort préchauffage, une coulabilité exceptionnelle a été obtenue pour le bronze à fort taux de plomb, donnant pour la première fois une idée des conditions de coulée nécessaires à l’obtention des parois très minces souvent observées sur les grandes statues antiques. / Following a multidisciplinary approach combining social sciences (archaeology, history of techniques, examination of ancient texts) and chemistry (materials science, experimental metallurgy, analytical chemistry), our research aims to reconstruct the evolution of lost-wax casting techniques, from the earliest evidence of its use in Mehrgarh (Pakistan, 5th millennium BC) to the first large bronze statues in the Aegean (end of the 6th, beginning of the 5th century BC).The archaeological artefacts under study have sometimes required specific analytical developments to overcome their very strong alteration, such as synchrotron photoluminescence imaging. This allowed reconstructing in detail the chaîne opératoire of the Mehrgarh wheel-shaped amulet, one of the oldest lost-wax castings known to date. Based on the results thus obtained, it has been suggested that lost-wax casting might have been invented to give non-metalworkers the opportunity to create important metal objects such as amulets by simply shaping a wax model.We show that lost-wax casting was afterwards used to create a new form of sculpture, namely metal statuary. At the cost of very thick metal walls and mechanical assemblies, this led to an early production step of large statues in Mesopotamia during the second half of the 3rd millennium BC. After a long hiatus, large metal statuary reappeared spectacularly during the first half of the 1st millennium BC, both in the Egyptian, the Sabean and the Aegean areas. We were able to identify two important innovations responsible for this renaissance: the indirect process and the flow fusion welding.Castability tests carried out by varying the composition of the alloy and the material of the mould are presented in the last part of our work. An exceptional castability was obtained for highly-leaded bronze in plaster mould and with a high preheating. For the first time some insights are thus drawn on the casting conditions necessary to obtain the very thin walls often observed on large metal statues during the Classical Antiquity.