Depuis une dizaine d'années, la découpe par jet hybride où un jet d'eau fait office de guide d'onde pour le laser est utilisée avec succès dans le domaine de la microélectronique. Afin de développer cette technologie pour l'amener vers d'autres marchés tels que l'automobile, la chaudronnerie ou l'aéronautique, il est nécessaire d'augmenter la puissance des lasers et la pression du jet. A ces hauts niveaux énergétiques, les nouvelles interactions qui apparaissent entre la lumière et le fluide ainsi que les modifications du matériau engendrées par le jet hybride n'ont encore jamais été étudiées d'un point de vue physico-chimique. Nous avons donc d'abord mis au point un système permettant de mesurer les propriétés optiques de l'eau à très haute pression dont une application directe pourrait être un capteur optique de pression des fluides. Ainsi et de façon originale, ce travail a permis de mesurer l'indice de réfraction et la polarisabilité de l'eau jusqu'à 250 MPa en modélisant leurs évolutions à l'aide des équations de Tait, de Sellmeier et de Lorentz-Lorenz. Cette étude a débouché sur la création d'un modèle reliant directement la densité du fluide à la mesure de son indice de réfraction. Suite à ces résultats, nous avons pu, après des simulations d'hydrodynamisme, concevoir une tête permettant le couplage d'un laser haute puissance guidé par jet d'eau haute pression. Nous avons alors testé diverses formes de chambres permettant le couplage d'un jet hybride de nouvelle génération. En parallèle, nous avons étudié l'impact physico-chimique d'un jet hybride découplé où le laser et le jet d'eau sont focalisés, pour la découpe, à la surface d'échantillons en acier 301L et en alliage de titane TA6V. Les résultats ont été obtenus par spectroscopie Raman, Diffraction des Rayons X (DRX), microscopie optique et microscopie électronique à balayage couplé à de l'analyse EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) et à de l'analyse d'orientation cristallographique (EBSD). Lors de la découpe, des transformations de phases et une couche oxydée apparaissent à la surface des échantillons. Nous avons montré notamment que ces couches d'oxydes ainsi que les résidus de coupe sont en majeure partie constitués de magnétite (Fe3O4) et de rutile (TiO2) / For a decade, the hybrid jet cutting where a water jet acts as waveguide for the laser has been successfully used in the field of microelectronics. To develop this technology and bring it up to other markets such as automotive, boiler or aerospace, it is necessary to increase both the laser energy and the water jet pressure. At these high energy levels, new interactions that occur between light and fluid as well as the material changes caused by the hybrid jet have never been studied from a physicochemical point of view. So, at first, we have devised a system allowing measurements of optical properties of water at high pressure with a possible direct application in optical sensor for fluid pressure. In an original way, this work has allowed us to measure the refractive index and polarizability of water up to 250 MPa and model their evolution using Tait, Sellmeier and Lorentz-Lorenz equations, respectively. A direct result of this study is the creation of a model linking directly the fluid density to the measurement of its refractive index. Following these developments and after hydrodynamics simulations, we have designed a specific head for coupling a high power laser guided by high pressure water jet. Then we have tested various head types allowing the coupling of a new generation hybrid jet. In the same time, we have studied the physicochemical impact of decoupled hybrid jet where the laser and water jet are both focused, for cutting, at the surface of 301L steel and titanium alloy TA6V samples. The analysis have been done by Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), optical microscopy and scanning electron microscopy coupled with EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) analysis and the crystallographic orientation (EBSD) analysis. During cutting, a phase transformation and an oxidized layer appear on the surface of the samples. We have shown in particular that these oxide layers and cutting residues are mainly composed of magnetite (Fe3O4) and rutile (TiO2)

Ce travail a pour objectif d'étudier les mécanismes de génération des stries habituellement observées lors de la découpe laser de l'acier, avec un gaz inerte. En dépit de son importance scientifique et surtout industrielle, l'origine de ce mécanisme est inconnue depuis la mise au point de ce procédé laser. Nous avons tout d'abord étudié expérimentalement l'hydrodynamique du métal fondu le long du front de découpe en utilisant une caméra video rapide. L'observation par la face supérieure de l'échantillon a montré pour la première fois l'origine de la génération de ces instabilités de l'écoulement du liquide métallique, qui présente deux types de discontinuités caractéristiques : la présence de " humps " dans la partie centrale de la saignée et d'accumulations de liquide, sur les côtés de la saignée. On observe clairement que les stries latérales sont générées périodiquement et résultent du déplacement vertical vers le bas, de ces accumulations de liquide produites le long des côtés de la saignée. L'observation transverse du front avant de la saignée (à l'aide d'une visualisation latérale, à travers une lame de verre simulant un côté de la saignée) montre également que les " humps " de la partie centrale peuvent perturber la dynamique du mouvement de ces accumulations de liquide et contribuer à la dégradation de la qualité des stries. L'origine de ces instabilités est ensuite discutée. Les caractéristiques des 2 types instabilités observées peuvent être expliquées d'une façon cohérente par un seul mécanisme lié à la tension superficielle du liquide métallique. Les stries sont ainsi créées par la fusion locale de la surface du solide en raison du transfert de chaleur à partir de ces accumulations de liquide. La rugosité finale de la surface a pu être estimée à partir d'une analyse du transfert de chaleur de ces accumulations, et est en accord satisfaisant avec les resultants expérimentaux. Finalement, à partir de ce modèle de la génération des stries, nous pouvons expliquer la différence observée de la qualité de la découpe lors de l'emploi de lasers de longueurs d'onde différentes, à 1 micron et à 10 microns. Nous mettons ainsi en avant les deux facteurs qui peuvent influencer cette dépendance avec la longueur d'onde: la stabilité de l'écoulement du liquide dans la partie centrale, qui est contrôlée par la loi d'absorption laser locale, et l'importance de l'absorption du rayonnement laser sur les accumulations du liquide le long des parois de la saignée. La validité de chacun de ces mécanismes est confirmée par une modélisation analytique des processus physiques impliqués.

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Les exigences d'allègement des pièces structurales automobiles ont conduit au développement de nouvelles nuances d'aciers aux propriétés mécaniques de plus en plus élevées. Parmi ces nuances dites Très Haute Résistance (THR), les aciers dual phase, avec leur microstructure composite ferritemartensite, offrent un très bon équilibre entre résistance mécanique et formabilité. Cependant, des observations récentes ont montré que l'étape de découpe avait tendance à altérer ces bonnes propriétés. L'objectif de la présente étude est d'améliorer notre connaissance des mécanismes mis en jeu au cours de la découpe afin de pouvoir les prendre en compte pour le développement des futures nuances.<br /><br />Un premier travail d'observation et de caractérisation (MEB, microdureté, essais mécaniques...), a été effectué de manière à mettre en évidence les effets de la découpe à la cisaille sur la microstructure et les propriétés mécaniques des tôles. Ces résultats révèlent l'existence d'une zone affectée par la découpe qui s'étend sur environ 200 μm. Cette zone se caractérise par un écrouissage et une déformation microstructurale importants. Cette déformation conduit localement à la décohésion des phases ferritique et martensitique.<br /><br />La formation de cette zone en cours de découpe a été étudiée à travers deux approches distinctes : d'une part, le développement d'un montage de cisaille instrumentée permettant d'observer l'évolution de la microstructure, et, d'autre part, la simulation numérique du procédé qui donne accès aux grandeurs mécaniques locales dans la tôle. Il apparait que l'endommagement et la rupture de l'acier sont pilotés par la décohésion des interfaces ferrite-martensite, elle-même fortement dépendante de<br />l'état de triaxialité des contraintes.<br /><br />L'étude du comportement des bords découpés, au cours de sollicitations postérieures à la découpe, a permis de confirmer l'amorçage rapide des fissures dans la zone affectée par la découpe et l'impact direct de la taille de cette dernière sur la perte de ductilité des pièces découpées.<br /><br />Enfin, de nombreux traitements thermiques, appliqués à une nuance sélectionnée, ont permis de désigner deux voies distinctes d'amélioration du comportement des nuances dual phase face à la découpe: d'une part la transformation d'une troisième phase lors du recuit, d'autre part le rééquilibrage des propriétés au sein de la microstructure par l'application d'un traitement de revenu.

Ce travail de thèse développe un modèle physique de découpe de métaux par laser. Le procédé complet est divisé en une série de processus élémentaires qui s'étend de la propagation de faisceaux laser gaussiens jusqu'à l'évacuation du métal fondu sous l'action de cisaillement du gaz de découpe. L'ensemble des processus élémentaires est alors unifié au sein d'un modèle stationnaire 2D, « auto-consistant », fournissant la géométrie du front avant de la saignée de découpe. Les comparaisons entre résultats de simulation et expériences de « découpe pure » fournissent de très bonnes corrélations. Par ailleurs, des expériences complémentaires semblent indiquer que l'absorptivité réelle est d'environ 20% supérieure à celle prédite par le modèle de Drude et les équations de Fresnel. La non-planéité et la non-stationnarité du front d'absorption peuvent justifier une telle augmentation. Finalement, nous ouvrons les perspectives en présentant un modèle 3D de la géométrie de la saignée de découpe. Nous abordons la découpe laser sous oxygène et finissons par une approche des stries de découpe.

Cette thèse s’intéresse à un problème de bin-packing en deux dimensions avec des défauts sur les bins rencontré dans l’industrie verrière. Les plans de découpe sont guillotine 4-stage exact, les objets à couper sans défauts.Une possible résolution utilise la décomposition de Dantzig-Wolfe puis une génération de colonnes et un branch-and-price. Cela est impossible dans notre cas du fait d’instances de trop grande taille. Nous résolvons d’abord le problème de pricing sans défauts par un algorithme incrémental de labelling basé sur un programme dynamique (DP), représenté par un problème de flot dans un hypergraphe. Notre méthode est générique pour les problèmes de sac-à-dos guillotine mais ne résout pas de larges instances en un temps de calcul raisonnable. Nous résolvons alors le problème de bin-packing sans défauts grâce à un DP et une heuristique de diving. Le DP génère des colonnes “non propres”,ne pouvant pas participer à une solution entière. Nous adaptons le diving pour ce cas sans perte d’efficacité. Nous l’étendons alors au cas avec défauts. Nous réparons d’abord heuristiquement une solution du problème sans défauts. La fixation des colonnes dans le diving sans-défaut est ensuite modifiée pour gérer les défauts. Les résultats industriels valident nos méthodes. / This thesis deals with a two-dimensional bin-packing problem with defects on bins from the glass industry. Cutting patterns have to be exact 4-stage guillotine and items defect-free. A standard way to solve it isto use Dantzig-Wolfe reformulation with column generation and branch-and price.This is impossible in our case due to large instance size. We first study and solve the defect-free pricing problem with an incremental labelling algorithm based on a dynamic program (DP), represented as a flow problem in a hypergraph. Our method is generic for guillotine knapsack problems but fails to solve large instance in a short amount of time. Instead we solve the defect freebin-packing problem with a DP and a diving heuristic. This DP generatesnon-proper columns, cutting patterns that cannot be in an integer solution.We adapt standard diving heuristic to this “non-proper” case while keeping itseffectiveness. We then extend the diving heuristic to deal with defects. Ourfirst proposal heuristically repairs a given defect-free solution. Secondly the defect-free diving heuristic is adjusted to handle defects during column fixing.Our industrial results outline the effectiveness of our methods.

Dans cette thèse, nous proposons un ensemble d'outils nécessaires à l'élaboration d'un simulateur de chirurgie. Dans un premier temps, nous définissons plusieurs modèles déformables physiques temps réels permettant de simuler les déformations et la découpe d'organes du corps humain. Ces modèles s'appuient sur la théorie de l'élasticité et la méthode des éléments finis. Nous avons tout d'abord travaillé sur l'enrichissement du modèle élastique linéaire en le généralisant au cas des matériaux dont le comportement est anisotrope, soit en raison de la présence de fibres (muscles, tendons), soit parce qu'ils sont entourés d'une peau (capsule de Glisson pour le foie). Cependant, la principale limitation de l'élasticité linéaire est de n'être valable que dans l'hypothèse de petits déplacements. Nous proposons donc un nouveau modèle déformable mettant en oeuvre l'élasticité non-linéaire de St Venant-Kirchhoff, qui reste valable pour les grands déplacements. Après avoir étendu ce modèle aux matériaux anisotropes, nous proposons plusieurs méthodes d'optimisation des calculs, soit en utilisant un algorithme adaptatif qui combine les modèles linéaires et non-linéaires, soit à partir d'une nouvelle formulation. La seconde partie de ces travaux porte sur la simulation des interactions entre les instruments chirurgicaux et les organes virtuels. Pour cela, nous avons modélisé les contacts, ainsi que certaines actions spécifiques comme le glissement, la préhension et la découpe. De plus, nous nous sommes intéressés aux problèmes liés à l'utilisation d'interfaces à retour d'effort.

Afin d'augmenter leur productivité, certains industriels de la découpe mécanique s'intéressent à un procédé émergeant : le cisaillage grande vitesse. Pour ce procédé, la vitesse du poinçon atteint 10m/s alors que cette vitesse ne dépasse pas 0,1 m/s pour le cisaillage conventionnel. Cependant, même si la qualité des découpes obtenues se rapproche celle du cisaillage fin, l'apparition de phénomènes dynamiques mal compris rend aujourd'hui délicat le déploiement du cisaillage grande vitesse. Dans ce travail de thèse nous proposons d'aller vers une meilleure maîtrise de ce procédé en utilisant aussi bien des moyens expérimentaux que numériques. Ainsi un dispositif expérimental instrumenté a été mis au point afin d'observer finement les phénomènes présents lors de la découpe. Ce dispositif conserve des similitudes avec les moyens industriels et comprend notamment un poinçon dont la section varie et une matrice solidaire d'un tube de Hopkinson pour la mesure des efforts de cisaillage. Cette mesure a comprend un traitement spécifique afin de corriger des effets dynamiques présents dans la matrice. Ce traitement, qui nécessite une calibration du banc, a été validé grâce à une modélisation numérique unidimensionnelle. Des observations du faciès de rupture ont permis de mettre en évidence la présence de bandes de cisaillement adiabatiques, signature d'une augmentation localisée importante de la température. Par ailleurs, une modélisation thermomécanique du comportement de l'acier C40 (loi de Johnson-Cook) a été réalisée et utilisée dans un code de simulation utilisant une approche C-NEM (Constrained Natural Element Method) pour reproduire les cisaillages observés sur le banc. Une étude comparative simulation/expérimentation a ainsi pu être effectuée.

Cette thèse traite de l'amélioration de certaines caractéristiques des impulsions lumineuses émises par un microlaser. D'une part, on exploite le fait que ces impulsions injectées dans une fibre optique subissent une rotation non linéaire de leur polarisation et une diffusion Raman. Un double filtrage spectral et en polarisation permet de pratiquer une découpe temporelle permettant un raccourcissement ajustable de leur durée jusqu'à un facteur 16 (de 600ps à 32ps). D'autre part, une source à double cavité imbriquée incluant un microlaser est déclenchée par un procédé hybride actif/passif. Cette configuration originale présente une gigue temporelle inférieure de deux ordres de grandeur à celle d'un microlaser passif seul. Ces techniques permettent l'émission d'impulsions brèves, stables, avec une gigue réduite à partir de sources miniatures peu coûteuses, particulièrement attrayantes pour des applications de télédétection comme la cytométrie en flux, le LIDAR ou la spectroscopie CARS.

Les travaux réalisés pendant mon doctorat répondent à la problématique de la simulation physique, en temps interactif, du comportement d'objets déformables soumis à des changements topologiques. Mes travaux ont abouti à la définition d'un nouveau modèle unifié couplant un modèle topologique complet et un modèle physique, pour la simulation physique d'objets déformables décomposés en éléments surfaciques comme volumiques, tout en réalisant pendant cette simulation des changements topologiques comme la découpe ou la subdivision locale d'un élément du maillage. Cette dernière opération a permis de proposer une méthode adaptative où les éléments du maillage sont raffinés selon un critère géométrique au cours de la simulation. Nous avons fait le choix des cartes combinatoires et plus particulièrement celui des complexes cellulaires linéaires, comme modèle topologique de notre modèle unifié. Ils ont l'avantage d'être génériques par rapport à la dimension de l'objet représenté mais également par rapport à la topologie des cellules en lesquelles l'objet est décomposé. Le système masses-ressort a, quant à lui, été choisi comme modèle physique de notre modèle unifié. L'avantage de ce dernier réside dans la simplicité de ses équations, son implémentation intuitive, son interactivité et sa facilité à gérer les changements topologiques. Enfin, la définition d'un modèle unifié nous a permis de proposer un modèle évitant la redondance d'informations et facilitant la mise à jour de ces dernières suite à des changements topologiques / The work made during my PhD, respond to the problematic of physical simulation of the behavior of deformable objects subject to topological changes in interactive time. My work resulted in the definition of a new unified model coupling a complete topological model and a physical model for physical simulation of deformable objects decomposed in surface as volume elements, while performing during this simulation topological changes such as cutting or subdivision local of a mesh element. This operation allowed us to propose an adaptive method where mesh elements are refined during the simulation according to a geometric criterion. For the topological model of our unified model, we made the choice of combinatorial maps and more particularly linear cellular complexes. Their main advantage of the latter is the simplicity of its equations, its intuitive implementation, its interactivity and its ease to handle topological changes. Finally, the definition of a unified model allowed us to propose a model avoiding duplication of information and facilitate the update after topological changes