This thesis deals with the robotic machining of composite materials. It is divided into two main parts - theoretical and practical part. The theoretical part is focused on detailed introduction of the term “an industrial robot” and a description of its controls, types of the robots, types of their propulsion and programming methods. Furthermore, there is a list of CAM softwares with its specification designed for both conventional machining and machining by using a robot. It also includes the introduction of composite materials and specification of their machining. The practical part deals with selection of appropriate type of bracket spindle by using a simulation software, suction design and economic evaluation of two types of machining in manufacture.

La simulation opérationnelle a déjà été développée pour diverses activités dont l'exercice en conditions réelles peut s'avérer coûteux voire dangereux : le pilotage d'avion, les interventions chirurgicales, etc. L'idée consiste à remplacer la réalité par une simulation suffisamment réaliste pour donner l'impression aux utilisateurs qu'ils réalisent réellement l'activité.Le Contrôle Non-Destructif (CND) regroupe l'ensemble des méthodes mises en œuvre pour tester l'intégrité des pièces mécaniques sans les altérer. Dans ce domaine, la simulation opérationnelle n'a été introduite que très récemment par un brevet déposé par Airbus. Cette approche permet de simuler numériquement la présence de défauts sans avoir à les ajouter réellement dans les pièces. Les pièces aéronautiques étant coûteuses, la simulation opérationnelle permet de réduire les coûts liés à la formation des opérateurs, à l'évaluation des performances des méthodes ou aux tests en conditions réelles de nouvelles procédures.La présente thèse vise à développer les outils scientifiques et technologiques nécessaires à donner vie au concept de simulation opérationnelle en CND. Pour remplacer la réalité par la simulation, les défis à relever sont de trois ordres : le réalisme de la simulation, la rapidité des calculs et l'instrumentation. Nous avons choisi d'illustrer ces trois aspects dans le cadre de l'inspection par ultrasons de pièces en matériaux composites. Les modèles de simulation couramment employés --- basés sur la résolution des équations de la physique --- n'offrent pas des temps de calculs suffisamment courts pour satisfaire les pré-requis de la simulation opérationnelle. Par ailleurs, le réalisme des simulations souffre parfois de la difficulté à paramétrer correctement les modèles. Nous explorons donc une autre approche : les modèles sont construits à partir de données expérimentales. Cette stratégie est exploitée pour traiter différents types de phénomènes tels que l'endommagement par impact, le trou à fond plat ou encore les perturbations de la micro-structure des matériaux. Par ailleurs, une solution matérielle et logicielle sont proposées et un premier prototype de simulateur opérationnel est mis au point. Ce système permet d'exploiter les modèles développés et de montrer que les signaux synthétiques peuvent sembler aussi réalistes que la réalité. Cette thèse court ainsi du concept jusqu'au prototype. / Several fields have already adopted the concept of operational simulation to limit risks and costs. For instance, part of the training phase of airline transport pilots or surgerons can now rely on simulations instead of real-life situations.Non-Destructive Testing (NDT) assesses the integrity of structural and mechanical components without damaging them. Operational simulation has drawn attention of the NDT community only recently through an Airbus patent. In this field, the operational simulation can be used to simulate the presence of a defect in a component without actually inserting the defect. For expensive parts such as aeronautical structures, this approach can reduce the costs of training operators, evaluating NDT method performances or testing new procedures in real-conditions.This thesis work aims to apply the concept of operational simulation to NDT. Three main scientific and technological challenges are to be tackled: the simulation realism, the computation speed and the instrumentation. We chose to focus this study on the ultrasound NDT technique applied to composite materials. Classical simulation approaches based on physical equations are not fast enough for a real-time synthesis of ultrasound signals. Moreover, the realism is often limited by the fidelity of the inspection set-up description. For instance, the material properties are not always well-known and bring to a drop of realism. Thus, we investigate an alternative way: the models are built directly from experimental data. This strategy is applied to model the effect of several phenomena such as impact damages, flat bottom holes or material micro-structure. Hardware and software solutions are also studied to propose a first prototype. We have shown that the replacement of real signals by on-the-fly simulated ones is achievable: the simulation is realistic enough to be considered as reality by operators. thus, this thesis work brings the concept to a first prototype dedicated to ultrasound NDT.

Syfte: Syftet med föreliggande in-vitro studie är att undersöka olika kompositbaserade reparationssystem och dess bindningsstyrka till porslin för metallkeramiska konstruktioner. Material och metod: Metallstavar tillverkades via CAD/CAM i CoCr (5.0x5.0x15.0mm) kortsidan förbehandlades genom sandblästring (aluminumoxid, 250 µm), ångblästring, oxidation, sandblästring och ångblästring. Fältspatporslin applicerades enligt följande: opak, dentin, emalj, till höjden av 1.2 ± 0.2 mm. Porslinsytorna slipades med sandpapper, 600-, 800-, 1200-kornstorlek kiselkarbid. Fem grupper (n=15) gav totalt 75 provkroppar. På vardera provkropp applicerades adhesiv samt kompositmaterial enligt fabrikanternas anvisningar (Kuraray, Kulzer, Voco, Ivoclar) inklusive kontrollgrupp som etsades med fluorvätesyra (Ultradent). Samtliga provkroppar termocyklades (5000 cykler, mellan 5°C och 55°C) före/efter applicering av kompositmaterial. Skjuvkraftstest utfördes på alla provkroppar med belastningshastighet 0.5 mm/min. Frakturanalys utfördes där brottytorna delades in i adhesiv-, kohesiv- eller mixfraktur. Resultaten analyserades med one-way ANOVA, Tukey´s test med signifikansnivån α=0.05. Resultat: Fluorvätesyra påvisade en signifikant högre bindningsstyrka 11.32 ± 4.28  MPa i jämförelse med övriga grupper (p<0.01). Övriga gruppers medelvärde var mellan 2.61 ± 1.36 till 3.96 ± 2.85 MPa. Det fanns ingen signifikant skillnad mellan de övriga grupperna. Samtliga grupper fick adhesiva frakturer, men Voco-gruppen uppvisade även mixfrakturer.  Slutsats: Samtliga reparationssystem visar på låg bindningsstyrka och baserat på resultaten kan det inte rekommenderas. Förbehandling av porslinsyta med fluorvätesyra i kombination med silan resulterar i högst bindningsstyrka till komposit. Värdet är trots allt lågt för en god långtidsprognos, men det enda som kan rekommenderas. Det faktum att fluorvätesyra har giftiga egenskaper vore det lämpligt att fortsätta utvecklingen av reparationssystem för att hitta ett lämpligt alternativ. / Purpose: The purpose of this study is to investigate different repair systems and their bond strength to porcelain for metal-ceramic constructions. Material and method: Metal were manufactured by CAD / CAM in CoCr (5.0x5.0x15.0mm), was pretreated with sandblasting (alumina, 250 µm), steam blasting, oxidation, sandblasting and steam blasting. Feldspar porcelain was applied according to the following steps: opaque, dentin, enamel, selfglaze to a final porcelain height of 1.2 ± 0.2 mm. The porcelain surfaces were groud with silicon carbide sandpaper, 600-, 800-, 1200-grain size. Five groups (n = 15) in a total of 75 specimens. Adhesives and composite materials were applied to each group according to the instructions of the various manufacturers  (Kuraray, Kulzer, Voco, Ivoclar, Ultradent, Etching with hydrofluoric acid). All specimens were thermocycled (5000 cycles) in two water baths between 5 ° C and 55 ° C before and after application of composite material. Shear bond strength test was performed on all specimens with a load speed of 0.5 mm / min and the bond strength was reported in MPa. Fracture analysis was performed where the fracture surfaces were divided into adhesive, cohesive or mixed fracture. The results were analyzed with one-way ANOVA, Tukey´s test with significance level α= 0.05. Result: The result clearly showed that hydrofluoric acid had a significantly higher bond strength of 11.32 ± 4.28 MPa compared to the other groups (p <0.01). The mean value of the other groups was between 2.61 ± 1.36 to 3.96 ± 2.85 MPa, with  no significant difference between the groups. All groups had adhesive fractures, but the Voco-group also showed mixed fractures. Conclusion: The study concludes that all repair systems have a low bond strength and based on the results can’t be recommended. Pretreatment of the porcelain surface with hydrofluoric acid in combination with silan results in the highest bond strength to composite, the bond strength is still too low for long-term use, but the only one that can be recommended. However hydrofluoric acid is highly toxic which require further research in the field in order to develop reparation systems with suitable properties.

The importance of using natural fiber composites (NFCs) has been addressed as a substitution for synthetic fibers, such as glass and carbon fibers. This substitution contributes significantly to reducing greenhouse gas emissions, aligning with the environmental responsibilities of engineering industries. Wood fiber(WF) is one of the natural fibers (NFs) dominating the market in various businesses. As an excellent alternative to non-renewable sources, the demand for injection-molded applications using natural fiber-reinforced plastics has expanded across various sectors. Despite extensive prior research on the mechanical properties of WFs, there remains a need for a deeper understanding of the connection between fiber orientation and mechanical characteristics. This understanding is essential for developing computational methods aimed at ensuring structural integrity, cost-efficiency, and sustainability in real-world components. This study aims to evaluate coupled injection molding simulation to finite element method with mapping of fiber orientation tensor for a wood fiber composite (WFC). To achieve this, WFC’s mechanical properties and behavior under tensile loading conditions are investigated. The research methodology involves conducting uniaxial tensile testing on dog bone-shaped specimens at different fiber orientations (0 degrees, 45 degrees, and 90 degrees). Experimental data is collected, analyzed, and compared with the obtained results with numerical simulations to validate the accuracy of the models used. Additionally, the aspect ratio and volume fraction of the WFs are measured through both mathematical calculations and image analysis using MATLAB. The main contribution of this study can be summarized in two key observations. Firstly, the investigation of mechanical characteristics across different fiber orientations has revealed distinct patterns. Specimens aligned at 0 degrees exhibit noticeable differences in behavior compared to those at 45 and 90 degrees, highlighting the material's anisotropic nature. Secondly, the comparison between experimental data and computational simulations exhibits the effectiveness of the developed models. The close agreement between the two validates the accuracy of the predictive approach. Moreover, the consistent aspect ratio, volume fraction, and fiber orientation value obtained through both mathematical calculations and image analysis add credibility to the reliability of our measurements. Notably, the comparison with glass fibers (GFs) reveals that WFs exhibit considerably less breakage, highlighting their durability and potential suitability for various applications. / Betydelsen av att använda naturfiberkompositer har behandlats som en ersättning för syntetiska fibrer, såsom glas- och kolbaserade fibrer. Denna substitution bidrar betydligt till att minska utsläpp av växthusgaser och överensstämmer med ingenjörsbranschens miljöansvar. Träfiber är en av de naturfibrer som dominerar marknaden inom olika branscher. Som ett utmärkt alternativ till icke-förnybara källor har efterfrågan på formsprutade applikationer med naturfiberförstärkta plaster ökat inom olika sektorer. Trots omfattande tidigare forskning om träfibrers mekaniska egenskaper finns det fortfarande ett behov av en djupare förståelse för sambandet mellan fiberns orientering och dess mekaniska egenskaper. Denna förståelse är avgörande för att utveckla beräkningsmetoder som syftar till att säkerställa strukturell integritet, kostnadseffektivitet och hållbarhet i komponenter i den verkliga världen. Denna studie syftar till att utvärdera kopplad formsprutningssimulering med ändelementmetod och kartläggning av fibrernas orienteringstensor för en träfiberkomposit. För att uppnå detta undersöks träfiberkompositens mekaniska egenskaper och beteende under dragbelastningsförhållanden. Forskningsmetodiken innefattar genomförande av enaxlig dragprovning på hundbenformade provkroppar vid olika fibrers orientering (0 grader, 45 grader och 90 grader). Experimentella data samlas in, analyseras och jämförs med de erhållna resultaten från numeriska simuleringar för att validera modellernas noggrannhet. Dessutom mäts träfibrernas aspektratio och volymfraktion genom både matematiska beräkningar och bildanalys med hjälp av MATLAB. Huvudbidraget från denna studie kan sammanfattas i två centrala iakttagelser. För det första har undersökningen av mekaniska egenskaper vid olika fibrers orienteringar avslöjat tydliga mönster. Prover som är riktade i 0 grader uppvisar märkbara skillnader i beteende jämfört med de vid 45 och 90 grader, vilket understryker materialets anisotropa natur. För det andra visar jämförelsen mellan experimentella data och beräkningsmässiga simuleringar effektiviteten hos de utvecklade modellerna. Den nära överensstämmelsen mellan de båda validerar noggrannheten i den prediktiva metoden. Dessutom lägger de konsekventa värdena för aspektratio, volymfraktion och fibrernas orientering som erhållits genom både matematiska beräkningar och bildanalys trovärdighet till våra mätningar. Det bör noteras att jämförelsen med glasfiber visar att träfibrer uppvisar betydligt mindre brytning, vilket betonar deras hållbarhet och potentiella lämplighet för olika tillämpningar.

<p dir="ltr">Inkjet printing allows for rapid prototyping and design iteration that traditional printing methods do not. The use of inkjet printing for electronic devices has seen increased use in recent years owing to its high precision and ability to quickly test new devices. However, nearly all of this work has been done on smooth substrates with surface roughnesses on the nano scale. To further explore the capabilities of inkjet printing on rough surfaces, electrically conductive ink was printed onto a variety of solids-loaded polymer composite substrates using varied filler particle sizes with surface roughnesses on the micron scale. This work examines the necessary parameters required to print on these rough surfaces and characterizes the electrical properties of deposited ink. Electrical conductivity was demonstrated on surfaces across five distinct substrates using varied particle sizes. Further, two functional devices in the form of a heater and a strain gauge were printed and tested on these substrates. These devices showed comparable performance to commercially available devices. These findings offer improved ability to use inkjet technology on a variety of substrates and have implications in multiple fields. This demonstration of basic conductivity and advanced functionality shows the potential to continue development of complex devices and integrate them into new substrates. The optimization of printing algorithms on these rough surfaces also has significant potential to improve printability on rough surfaces and further expand capabilities.</p>

The future of aerospace has long been dedicated to making airplanes more lightweight and faster than ever before. Automation is essential to achieve these goals while maintaining a standard of consistency and quality. The overall goal of this research is to develop an automated piece of equipment that can effectively laminate a contoured composite layup at a rapid pace in order to compete with alternative options. In this study, the equipment and its components were designed and first evaluated through computational modeling and simulation. Then a prototype of the developed equipment was built for experimental testing and validating. The manufactured equipment was applied to form laminate sheets with different contours, ramp rates, and thicknesses. The forming speed and quality of the formed laminate sheets were assessed to validate the developed equipment.

Baigiamajame darbe išnagrinėtos kompozitnės medžiagos jų charakteristikos ir ypatybės. Išnagrinėtas kompozitinių medžiagų panaudojimas aviacinių konstrukcijų gamybai.Išnagrinėti galimi defektai bei jų atsiradimo priežastis. Aptarti ultragarsinės neardomosios kontrolės principai, bei pritaikymas kompozitinių medžiagų ir konstrukcijų tyrimui. Išanalizuotos frontalinio echoskopinio vaizdo formavimo ypatybės ir jų pritaikymas medžiagos struktūrinei analizei. Išnagrinėti veiksniai įtakojantis ultragarsinio vaizdo sudarymo kokybę, bei sudaryta FVE struktūrinė schema. Sudarytas defekto atpažinimo algoritmas kurio realizavimas parodytas pasitelkiant Matlab programinį paketą. Pateikti pasiūlymai sistemos panaudojimui bei tolimesniam jos vystymui. / In this work examined composite materials, their characteristics and features. Examined the use of composite materials to aircraft structures manufacturing. Examined the potential defects and their occurrence causes. Discuss ultrasonic non-destructive control principles and applications of composite materials and structures research. We analyzed the formation of frontal acoustic scenery features and adaptability for material structural analysis. Examine the factors influencing the quality of ultrasound imaging and created structural diagram of acoustic scenery formation. Created the defect detection algorithm and demonstrated through the realization of the Matlab software package. Proposals for the use of the system and its further development.

Ce mémoire est consacré à l'étude de nouveaux matériaux composites de type Si/Sn-Ni/Al/C pour former des électrodes négatives de batteries lithium ion. La microstructure de ces matériaux se présente sous la forme de nanoparticules de Si enrobées dans une matrice conductrice constituée de carbone et d'un composé intermétallique Ni3,4Sn4. La nanostructure et la composition du matériau composite lui confèrent de très bonnes performances en termes de capacité réversible, de stabilité électrochimique, et de cinétique de réaction. La mécanosynthèse a été choisie comme méthode d'élaboration. Les propriétés structurales et chimiques du composite ont été déterminées par analyses DRX, par microscopies électroniques MET et MEB, par analyses EDX et EFTEM et par spectroscopie Mössbauer de 119Sn. La caractérisation électrochimique a été réalisée par cyclage galvanostatique et par voltamétrie cyclique. La réactivité de ces matériaux envers le lithium a été étudiée par analyses DRX et spectroscopie Mössbauer de 119Sn in-situ. Ce mémoire détaille les résultats structuraux et électrochimiques obtenus pour différents matériaux composites basés sur Ni3,4Sn4 en ajoutant les éléments C, Al et Si. Une étude des mécanismes réactionnels lors du broyage mécanique ainsi que pendant le cyclage électrochimique a été effectuée et le rôle des différents éléments a été mis en évidence. Enfin, une discussion sur l'influence de la microstructure sur les performances électrochimiques des matériaux composites est donnée. Les meilleures performances électrochimiques sont obtenues pour le composite de composition nominale Ni0,14Sn0,17Si0,32Al0,04C0,35. Il présente une capacité réversible de 920 mAh/g avec une très bonne stabilité sur 280 cycles. Le matériau possède une excellente cinétique de délithiation : 90% de la capacité peut être délivrée en moins de 5 minutes. La capacité irréversible (20%) reste toutefois élevée et doit être encore améliorée en stabilisant l'interface solide/électrolyte (SEI) / This study is devoted to a new Si/Sn-Ni/Al/C composite material usable as negative electrode for lithium-ion batteries. The composite microstructure is made from Si nanoparticles embedded in a matrix, consisting of conductive carbon and Ni3.4Sn4 intermetallic compound. The nanostructure and composition of the composite material give excellent properties regarding reversible capacity, electrochemical stability, and reaction kinetics. Mechanical alloying has been chosen as synthesis method. The material structural and chemical properties have been determined by XRD analysis, by electron microscopy TEM and SEM, by EDX and EFTEM analysis and 119Sn Mössbauer spectroscopy. The electrochemical characterization was carried out by galvanostatic cycling and cyclic voltammetry. Lithium reactivity of these materials was studied by in-situ XRD analysis and 119Sn Mössbauer spectroscopy. This manuscript details the structural and electrochemical results obtained from various composite materials based on Ni3.4Sn4 by adding C, Al and Si elements. Reaction mechanisms during mechanical alloying and during electrochemical cycling have been investigated and the role of the different elements has been demonstrated. Finally, a discussion of the microstructure influence on the electrochemical performance of the composite materials is given. The best electrochemical properties are obtained for the composite material with nominal composition Ni0.14Sn0.17Si0.32Al0.04C0.35, which has a reversible capacity of 920 mAh/g with a very good stability of 280 cycles. Excellent kinetics during délithiation are obtained : 90% of capacity can be delivered in less than 5 minutes. However, the irreversible capacity (20 %) remains high and should be improved by stabilizing the solid/electrolyte interface (SEI)

L'objectif principal du travail réalisé au cours de la thèse consistera à proposer une démarche théorique rigoureuse visant à intégrer les éléments microstructuraux et les gradients de déformation dans une approche micromécanique. La thèse comportera deux volets : - Dans une première partie, on s'attachera à établir un cadre théorique rigoureux permettant d'intégrer les effets du gradient de la déformation et les longueurs caractéristiques de la microstructure sur le comportement effectif des matériaux composites - L'approche par développement asymptotique conduit à la résolution d'une succession problèmes d'élasticité tridimensionnelle posée sur une cellule élémentaire du milieu périodique. La résolution de ces problèmes d'élasticité, et par conséquent la détermination des propriétés effectives du composite, nécessite la mise en œuvre d'une méthode de résolution numérique. Dans cette seconde partie du travail, il s'agira de proposer une méthode de résolution basée sur la transformée de Fourier rapide (Méthode FFT) / The main objective of the thesis is to provide a rigorous theoretical approach to integrating the microstructural effects and deformation gradients in a micromechanical approach. The thesis has two components:- In the first part, we will focus on establishing a rigorous theoretical framework for integrating the effects of the deformation gradient and the characteristic lengths of the microstructure on the effective behavior of composite materials - The asymptotic expansion approach leads to the resolution of a series of three-dimensional elasticity problems posed on a unit cell of the periodic medium. Solving these problems of elasticity, and therefore the determination of the effective properties of the composite, requires the implementation of a numerical method. In this second part of the work, it will propose a resolution method based on fast Fourier transform (FFT method)

La supraconductivité induite par effet de proximité dans du graphène CVD macroscopique décoré de nanoparticules d'étain (G/Sn) est le thème central de cette thèse. Dans ce manuscrit, deux projets expérimentaux sont présentés. Le premier de ces projets a consisté à développer et étudier un nouveau matériau manipulable et flexible au sein duquel les corrélations supraconductrices s'étendent à des échelles macroscopiques. Ce matériau est un film composite qui résulte de l'empilement de trois ingrédients originaux: un film fin de parylène d'une épaisseur de quelques micromètres, une monocouche de graphène de plusieurs centimètres carrés et un film discontinu métallique obtenu par démouillage naturel de l'étain en surface du graphène.Des mesures de transport à basses températures ont permis de mettre en évidence l'émergence d'un effet de supraconductivité induite à l'échelle macroscopique. Le courant critique de la transition supraconductrice des films composites a pu être contrôlé par une tension de grille avec une sensibilité de cent nanoampères par volt. Le comportement sous champ magnétique transverse des films composites est similaire à celui des supraconducteurs comportant des joints de grains et est caractérisé, en particulier sous faible champ magnétique, par une forte sensibilité de la transition supraconductrice. Une étude approfondie a enfin montré que le matériau hybride G/Sn est un système percolant bidimensionnel qui se comporte, à l'approche de la transition supraconductrice, comme une jonction unique de taille micrométrique.Dans le cadre du second projet, des cavités supraconductrices radiofréquences (RF) ont été développées. Des pistes G/Sn ont été intégrées à ces circuits supraconducteurs dans l'optique de créer des résonateurs dont la fréquence de résonance est contrôlable par une tension de grille. Un procédé d'intégration de pistes G/Sn conjointement à plusieurs cavités à partir d'un seul transfert (pleine plaque) de graphène a été mis au point. Des mesures en transmission dans des conditions cryogéniques ont été effectuées pour caractériser ces dispositifs hybrides et étudier leur comportement dans le domaine RF. / Superconducting proximity effect in macroscopic CVD-grown graphene decorated by tin nanoparticles is the central topic of this thesis. In this manuscript, two experimental projects are presented.The first of these projects consisted in developing and studying a new easy to handle and flexible material in which superconducting correlations extend over macroscopic scales. This material is a composite film made from the stacking of three original components: a few micrometers thin plastic film in parylene, a several centimeters squares layer of graphene, and a cluster of nanoparticles achieved by natural dewetting of tin on the graphene surface.Cryogenic transport measurements highlighted an induced superconductivity on the scale of the studied composite films pieces dimensions, of the order of the centimetre square. The superconducting critical current of the composite films showed gate tunability of about one hundred nanoamperes by volt. The behaviour of the composite films under a transverse magnetic field is similar to the one of granular superconductors and is characterised, especially under weak transverse magnetic field, by a high sensitivity of the superconducting transition. An in-depth study showed that the G/Sn hybrid material is a bidimensional percolating system that, when approaching the superconducting transition, behaves like a single mesoscopic Josephson junction.Within the framework of the second project, superconducting radiofrequency (RF) cavities have been developed. G/Sn patches have been integrated into these superconducting circuits in order to build gate tunable resonators. A process allowing to integrate G/Sn patches jointly to a series of several cavities from a single graphene transfer have been developed. Transmission measurements in cryogenic conditions have been performed to characterise these hybrid devices and to study their radiofrequency response.