Lightweight sandwich composite structures exhibit high strength and bending stiffness and have been used in various load-bearing aerospace structures. A primary weakness of these structures is the low interfacial strength that can result in the disbonding between the facesheet and the core. Through-thickness reinforcement techniques, such as stitching, can be utilized to improve the interfacial strength of sandwich composites. This study focuses on fabrication and structural testing of stitched sandwich composite main landing gear (MLG) strut doors. The MLG strut doors are constructed from carbon fiber non-crimp fabric facesheets and closed-cell foam core that are stitched using a modified lock stitching technique. To assess the effects of stitching, two doors were fabricated, one with and one without through-the-foam stitching. A vacuum-assisted resin transfer molding process was used to infuse the doors. The strut doors were subjected to quasi-static loading, and the mechanical responses of the stitched and unstitched strut doors are presented.

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Ce projet de doctorat a permis pour la première fois de concevoir, réaliser et étudier le potentiel des matériaux métalliques biodégradables. En effet, le fer pur et les alliages de magnésium avaient été évalué entre 2001 et 2003 quant à la possibilité de devenir des biomatériaux dégradables. Ces travaux ont cependant montré que les propriétés mécaniques et du comportement en dégradation de ces alliages devaient être améliorées pour répondre aux besoins cliniques. Dans cette perspective, une série de nouveaux alliages du système Fe–Mn ont été élaborés et étudiés. L'objectif est d'obtenir des propriétés physiques et mécaniques similaires à celles de l'acier inoxydable 316L (SS316L) et un comportement à la dégradation mieux adapté à l’environnement physiologique humain que le fer pur et les alliages de magnésium. Quatre alliages de fer contenant 20 à 35% de manganèse ont été préparés par les techniques de la métallurgie des poudres, puis par la suite ils ont subi plusieurs cycles de laminage à froid et de frittage. Les résultats de ces travaux ont montré que la microstructure des alliages Fe–Mn est principalement composée d’une phase austénitique et de traces de phases martensitiques chez les alliages contenant moins de manganèse. Les alliages sont non–ferromagnétiques, leur susceptibilité magnétique étant inférieure à celle du SS316L. Contrairement au SS316L, cette susceptibilité magnétique demeure constante après écrouissage. Les propriétés mécaniques des alliages Fe–Mn approchent celles du SS316L. Leur limite d'élasticité diminue de 420 à 210 MPa et leur allongement à la rupture augmente de 5 à 32% quand la teneur en manganèse augmente de 20 à 35%. Pendant un essai in vitro, les alliages se dégradent par corrosion. Les produits de dégradation sont des couches d’hydroxydes de fer et de calcium/phosphore. Les taux de corrosion mesurés sont plus grands que celui du fer pur, mais plus faibles que celui de l’alliage de magnésium. Le relargage des ions de fer et de manganèse dans la solution est limité par les couches de produits de dégradation. Les essais de viabilité cellulaire ont montré que les alliages de Fe–Mn inhibent faiblement l’activité métabolique des fibroblastes. Tous ces éléments confirment le potentiel des alliages Fe–Mn pour la fabrication d’un biomatériau dégradable biocompatible. / This doctoral project permitted for the first time to design, develop and study metallic alloys as degradable biomaterials. Between 2001 and 2003, commercially pure iron and magnesium alloys were evaluated for their possibility to become degradable biomaterials. In those studies, it was found that their mechanical property and degradation behaviour were not clinically well suited. In this context, a series of Fe–Mn alloys was produced with the objective to obtain physical and mechanical properties similar to those of stainless steel 316L (SS316L) and degradation behaviour more suited in human physiological environment than pure iron and magnesium alloys. Four alloys with manganese content ranging between 20 and 35 wt% were prepared via a powder metallurgy route followed by a series of cold rolling and resintering cycles. Results showed that their microstructure was mainly composed of austenitic phase with the trace of martensitic phase in alloys having lower manganese content. This microstructure resulted into a nonmagnetic behaviour of the alloys with magnetic susceptibility lower than that of SS316L. In contrast to SS316L, this magnetic susceptibility remained constant after having plastic deformation. The alloys showed mechanical property approached to that of SS316L. As manganese content increased, the yield strength decreased from 420 to 210 MPa and the elongation increased from 5 to 32%. The alloys degraded in simulated coronary artery conditions by the mechanism of corrosion. Their average corrosion rate was faster than that of pure iron and slower than magnesium alloys. The degradation products constituted of iron hydroxides and calcium/phosphorus containing layers which adhered onto the substrate. The release of iron and manganese ions into the solution was limited by the insoluble degradation layer. The cell viability assays showed that the Fe–Mn alloys possess a low inhibition effect to fibroblast cells metabolic activities demonstrating their potentiality to be a biocompatible degradable biomaterial.

L’utilisation de l’ultrafiltration (UF) pour la concentration du lait de fromagerie est une pratique courante en industrie laitière. Dépendamment de l’usage de ce type de concentré, plusieurs avantages y ont été associé, tels que des gains de rendements et de productivité. D’autres procédés baromembranaires, tels que l’osmose inverse (RO) et la nanofiltration (NF), actuellement utilisés pour la gestion des effluents de l’industrie laitière, semblent prometteurs pour réaliser cette étape de concentration du lait de fromagerie. En effet, les gains de rendements attendus avec ces deux procédés sont plus élevés qu’avec l’ultrafiltration car tous les composés du lait sont concentrés et peuvent potentiellement être retenus dans le fromage. De plus, le perméat généré ne contient essentiellement que de l’eau et peut être réutilisé au sein de l’usine. Cependant, ces types de concentrés laitiers (NF et RO) ne sont que peu connus et leur utilisation en fromagerie ne peut être envisagée actuellement. Le but de ce projet était donc de caractériser les concentrés laitiers provenant de l’osmose inverse ou de la nanofiltration du lait et de comprendre les facteurs influençant leurs propriétés fromagères. Une première étude a permis de mettre en évidence l’impact des procédés de concentration du lait sur les propriétés physico-chimiques des concentrés. Il a été montré que les équilibres entre les phases soluble et colloïdale n’étaient pas impactés de façon notable par la concentration du lait, que ce soit par UF, NF ou RO. Ces deux derniers procédés ont, en revanche, mené à une diminution du pH et une augmentation de la force ionique et de la viscosité des concentrés. A pH constant et teneur en protéines similaires, les propriétés de coagulation par la présure ont été impactées par le type de concentrés utilisé et globalement un concentré UF avait de meilleures propriétés de coagulation qu’un concentré NF ou RO. Ces différences ont été attribuées à la force ionique élevée et/ou à la viscosité élevée. Cette première partie a donc permis de déterminer l’impact du procédé de concentration sur les caractéristiques des concentrés et de mettre en évidence les différences de propriétés entre plusieurs types de concentrés laitiers. Dans une seconde étude, l’impact du type de concentré et de l’ajustement de pH sur les propriétés de coagulation par la présure a été déterminé. Les résultats obtenus dans la première partie du projet ont montré des différences de temps de coagulation des concentrés UF et RO. Pour mieux comprendre quel paramètre était responsable, les cinétiques d’hydrolyse de la caséine κ par la présure ont été étudiées. Deux résultats majeurs ont pu être mis en évidence. Premièrement, de faibles variations de pH ont permis d’obtenir des cinétiques de coagulation par la présure similaires entre un concentré RO et un concentré UF, malgré les différences importantes de composition. Deuxièmement, à même pH, les cinétiques d’hydrolyse étaient similaires entre ces deux concentrés et ainsi, les temps de coagulation dépendaient du degré d’hydrolyse au point de coagulation. Finalement, la troisième étude réalisée a permis de déterminer la contribution du lactose et des minéraux aux propriétés fromagères des concentrés RO et d’évaluer l’impact d’une modification des équilibres salins (déminéralisation de la micelle de caséines) des concentrés sur leurs propriétés fromagères. Les teneurs importantes en lactose et en minéraux ont été, conjointement, responsables des principales différences observées au niveau des propriétés de coagulation par la présure entre un concentré RO et UF. En revanche, seul le lactose était à l’origine de l’augmentation des rendements fromagers observée avec l’utilisation de concentrés RO. La déminéralisation de la micelle de caséine, via ajout de NaCl, a un impact négatif sur les propriétés fromagères des concentrés avec une perte de matière grasse marquée et une baisse des rendements fromagers, et n’est donc pas un moyen intéressant pour améliorer les propriétés fromagères des concentrés. Ce projet a permis d’apporter de nouvelles connaissances sur les concentrés laitiers produits par osmose inverse, et dans une moindre mesure par nanofiltration, et de mettre en évidence l’impact de ces procédés de concentration sur les propriétés fromagères des concentrés. La meilleure compréhension de ces systèmes laitiers et des facteurs affectant leurs caractéristiques permet de fournir des pistes à envisager pour optimiser leur utilisation en fromagerie. / The use of pressure-driven membrane processes is a common practice in the dairy industry, and ultrafiltration (UF) is widely used for the concentration of cheesemilk. Depending on how the UF concentrate is used, several advantages have been claimed, such as yield and productivity gains. Other membrane processes, such as reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF), are currently used for the management of effluents in the dairy industry and could be promising for cheesemilk concentration. Indeed, they are expected to lead to higher yield gains than UF concentrates, due to the concentration of all milk compounds and the retention of some of them in the cheese. In addition, the permeates generated contain essentially water and can be reused within the plant. However, only little information can be found about these types of milk concentrates and more knowledge is needed to consider their use for cheesemaking. The purpose of this project was therefore to characterize the milk concentrates from reverse osmosis and nanofiltration and to study their cheesemaking properties. A first study highlighted the impact of the milk concentration process on the physicochemical properties of the concentrates. It has been shown that the equilibria between the soluble and colloidal phases were not significantly affected by the concentration of milk, using UF, NF or RO. The latter two processes, on the other hand, have led to a decrease in pH and an increase in ionic strength and viscosity of the concentrates. At constant pH and similar protein content, rennet coagulation properties were affected by the type of concentrates used and, overall the UF concentrate had better coagulation properties than NF or RO concentrates. These differences were attributed to their high ionic strength and/or high viscosity. This first part, therefore, allowed us to have an overview of the impact of the concentration process on the concentrates characteristics and to highlight the differences in properties between various types of milk concentrates. A second study investigated the impact of the type of concentrate and pH adjustment on the rennet coagulation properties. The results obtained in the first part of the project showed the differences in coagulation times of UF and RO concentrates. To understand which parameter was responsible for those differences, the kinetics of κ- casein hydrolysis by rennet were studied. Two major results were highlighted. First, small pH variations allowed to obtain similar rennet coagulation kinetics between RO and UF concentrates, despite the significant differences in composition. Secondly, at the same pH, the hydrolysis kinetics were similar between these two concentrates and the differences in coagulation time were due to variation in the degree of hydrolysis at the coagulation point. Finally, the third study carried out highlighted the contribution of the high lactose and salts contents on the impaired cheesemaking properties of RO concentrates. Furthermore, the impact of a change in salt equilibrium (reduced micellar salt content) on the cheesemaking properties of milk concentrates was also studied. The high contents of lactose and salts were both responsible for the impaired rennet gelation properties of RO concentrates. However, the high lactose content alone was accountable for the increased cheese yields with the use of RO concentrates. Reducing the mineral charge of the micelles, via addition of NaCl, had a negative impact on the cheesemaking properties of concentrates with marked fat losses and decreased cheese yields. This approach is then not suitable to improve the cheesemaking properties of milk concentrates. This project provided new knowledge on milk concentrates produced by reverse osmosis, and to a lesser extent by nanofiltration, as well as on the impact of these concentration processes on the cheesemaking properties of the concentrates. The better understanding of these concentrates is necessary to optimize their use in cheesemaking.

Titre de l'écran-titre (visionné le 15 janvier 2024) / La fabrication additive de matériaux composites suscite aujourd'hui un grand intérêt dans de nombreux domaines d'études différents dont l'exploration spatiale. Cependant, l'introduction de fibres dans le filament FDM (Fused Deposition Modeling) entraîne de nouveaux défis et une sensibilité à des aspects spécifiques de l'environnement de fabrication. Un matériau utilisé pour les applications spatiales doit pouvoir être fabriqué avec une grande consistance et permettre des simulations mécaniques fiables. Il est important de comprendre les propriétés mécaniques des structures composites imprimées en 3D et comment optimiser la fabrication. Le PEEK renforcé par 20% de fibres courtes de carbone (FC) est intéressant pour l'exploration spatiale en raison de sa haute résistance et de sa résilience thermique. La relation entre les paramètres d'impression et la résistance mécanique résultante pour le PEEK avec des concentrations élevées de FC n'est pas bien connue dans la littérature. Les propriétés mécaniques orthotropes de ce matériau sont également inconnues. L'objectif de cette recherche est d'étudier les paramètres affectant la résistance mécanique et la qualité de la microstructure de l'éprouvette de PEEK renforcé à 20% FC et de caractériser le matériau. Des tests mécaniques et des analyses par micro-tomographie ont été utilisés pour étudier la qualité des échantillons fabriqués dans différentes conditions. L'étude a pu définir les paramètres qui ont le plus d'impact sur la résistance mécanique résultante et la présence de micropores dans les échantillons, ainsi que la manière d'optimiser la production pour obtenir une résistance mécanique maximale à partir de FDM en utilisant du PEEK à haute teneur en FC. Avec ces informations, des éprouvettes ont été fabriquées et testées afin de caractériser le comportement mécanique orthotrope du matériau. Notamment, le comportement en traction, compression et cisaillement le long de la direction d'orientation du filament, dans le plan transversal et normal au plan d'impression a été étudié. Ces travaux ont permis de déterminer un ensemble de paramètres d'impression pour fabriquer du PEEK renforcé par 20% de fibres de carbone ainsi que des données expérimentales sur le comportement orthotrope de ce matériau. / Additive manufacturing of composite materials is of great interest today in many different fields of study including space exploration. However, introducing fibers into Fused Deposition Modeling (FDM) filament results in new challenges and sensitivity to specific aspects of the fabrication environment. A material used for space applications has to be manufacturable with high consistency and permit reliable mechanical simulations. It is important to understand mechanical properties of 3D printed composite structures and how to optimize fabrication. PEEK reinforced by 20% short carbon fibers (CF) is of interest for space exploration due to its high strength and thermal resilience. The relationship between printing parameters and resulting mechanical strength for PEEK with high CF concentrations is not well known in literature. The orthotropic mechanical properties of this material are also unknown. The goal of this research is to study the parameters affecting the mechanical strength and quality of the specimen microstructure for PEEK reinforced with 20% CF and characterize the material. Mechanical testing and micro tomography analysis was used to study the quality of specimens fabricated under different conditions. The study was able to outline which parameters are the most impactful to the resulting mechanical strength and the presence of micropores in the specimens as well as how to optimize production to obtain maximum mechanical strength from FDM using PEEK with high CF content. With this information, specimens were fabricated and tested in order to characterize the orthotropic mechanical behavior of the material. In particular, the behavior in tension, compression, and shear along the direction of orientation of the filament, in the plane transverse and normal to the printing plane has been studied. This work made it possible to determine a set of printing parameters for manufacturing PEEK reinforced with 20% carbon fibers as well as experimental data on the orthotropic behavior of this material.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La fabrication additive (FA) est une technologie à fort potentiel d'utilisation dans les applications photoniques car elle surmonte les limites des méthodes de fabrication traditionnelles. Parmi les différentes techniques de FA disponibles, la photopolymérisation en cuve (VPP) est l'une des rares à répondre aux exigences de la fabrication photonique. Cependant, l'un des principaux défis qui entravent l'adoption généralisée du VPP dans la fabrication de dispositifs optiques est la disponibilité limitée de matériaux compatibles avec les techniques VPP. L'objectif de cette thèse était de développer, d'élucider la structure, de fabriquer via la fabrication additive et d'étudier les propriétés optiques de pièces imprimées en 3D de matériaux hybrides aluminium-phosphate. Ces matériaux ont été développés par voie sol-gel comme candidats pour la fabrication de dispositifs photoniques actifs et passifs. Ces matériaux ont été fabriqués via VPP en utilisant un système AM sur mesure fonctionnant dans des conditions d'exposition intermittentes. Nous avons développé un modèle mathématique décrivant le profil d'exposition produit par cette système VPP, car son principe de fonctionnement diffère grandement des plateformes commerciales. Ensuite, les paramètres VPP et la cinétique de photopolymérisation de ces nouveaux matériaux ont été caractérise, de façon a démontré leur impression 3D. Enfin, nous avons examiné l'homogénéité optique et l'anisotropie des éléments fabrique 3D à partir de ces matériaux. Ces objectifs ont été explorés à travers cinq publications scientifiques, composant les cinq chapitres de cette thèse. Dans notre première contribution, nous avons synthétisé des sols de phosphate d'aluminium photopolymérisables, qui ont été polymérisés pour aboutir à des matériaux hybrides organiques-inorganiques (OIH) composés de chaînes de poly (méthacrylate de 2-hydroxyéthyle) avec des groupes de phosphate d'aluminium liés de manière covalente au squelette polymère. Ces unités inorganiques fournissent de nombreux agents de réticulation, résultant en une structure inorganique/organique hautement interconnectée et imbriquée. Les matériaux OIH étaient optiquement transparents entre 420 nm et 1100 nm, cependant, ces matériaux présentaient une faible transmission dans la région du proche infrarouge (NIR) en raison de la forte teneur en matières organiques de ces matrices. Dans une deuxième contribution, nous avons modifié la voie de synthèse pour obtenir des matériaux OIH aluminium-phosphate-silicate avec une concentration en masse inorganique plus élevée et une transmittance améliorée dans le NIR. Nous avons étudié en profondeur la structure de matériaux avec la RMN à l'état solide et observé que le réseau inorganique est formé d'unités d'aluminium-phosphate interconnectées par des chaînes de silicate. L'environnement chimique des sites de phosphate et d'aluminate pourrait être réglé en fonction du rapport aluminium sur phosphore, permettant à la structure d'être adaptée afin d'améliorer la capacité d'accueil des ions lanthanides de ces matériaux. Ces caractéristiques structurelles présentent ces matériaux comme des candidats potentiels pour immobiliser les ions lanthanides pour développer des composants optiques actifs. Dans une troisième contribution, nous avons développé et testé un modèle mathématique décrivant le profil d'exposition produit par l'imprimante utilisée dans ce travail, nous permettant de modéliser l'interaction laser-résine dans cet équipement, et de corréler les paramètres d'impression mesurés pour notre matériau avec ceux des système FA commerciales. De plus, nous avons identifié que ce système d'impression peut, théoriquement, imprimer plus rapidement par rapport aux plateformes commerciales dans des conditions spécifiques de diamètre de faisceau et de chevauchement entre les impulsions. Dans une quatrième contribution, nous avons exploré la fabrication additive des résines aluminium-phosphate-silicate. L'évolution des paramètres d'impression 3D de ces matériaux (énergie critique et profondeur de pénétration), et de la cinétique de photopolymérisation avec l'intensité lumineuse et la concentration en silicate a été étudiée. Ces résultats indiquent le déplacement de la conversion critique vers un degré de polymérisation plus élevé à mesure que la concentration de silicate augmente, ce qui était associé à une tendance plus élevée à la cyclisation. Ces résultats ont été utilisés pour valider un modèle photochimique publié dans la littérature décrivant l'interaction laser-résine dans les systèmes VPP, élucidant le lien entre l'énergie critique et la cinétique de photopolymérisation. Dans notre dernière contribution, nous avons étudié la distribution de l'indice de réfraction et la présence d'anisotropies optiques dans les lignes imprimées en 3D. Nous avons identifié que les pièces imprimées en 3D sont optiquement homogènes, malgré la présence d'un gradient de degré de polymérisation associé à la pénétration du laser dans la résine et au profil du faisceau. Des anisotropies optiques ont été identifiées et des mesures micro-Raman polarisées indiquent que la biréfringence provient de la contrainte de cisaillement perpendiculaire à la direction de balayage due à l'afflux de monomère vers le point de polymérisation. / Additive manufacturing (AM) is a technology with great potential for use in photonic applications because it overcomes the limitations of traditional manufacturing methods. Among the various AM techniques available, the vat-photopolymerization (VPP) is one of the few that meets the requirements for photonics manufacturing. However, one of the main challenges hindering the widespread adoption of VPP in optical device manufacturing is the limited availability of materials compatible with VPP techniques. The aim of this thesis was to develop, elucidate the structure of, fabricate via additive manufacturing, and study the optical properties of 3D printed parts of aluminum-phosphate hybrid materials. These materials were developed using the sol-gel route as candidates for the fabrication of active and passive photonic devices. These materials were additive manufactured via VPP using a custom-made AM system operating under intermittent exposure conditions. We developed a mathematical model describing the exposure profile output by this custom-made VPP setup, since its operating principle greatly differs from commercial platforms. Then, these new materials were 3D printed after characterizing their VPP parameters and photopolymerization kinetics. Lastly, we examined the optical homogeneity and anisotropy of additive manufactured elements from these materials. These goals were explored throughout five scientific publications, composing the five chapters of this thesis. In our first contribution, we synthesized photopolymerizable aluminum-phosphate sols, that were polymerized to result in organic-inorganic hybrid (OIH) materials composed by poly (2-hydroxyethyl methacrylate) chains with aluminum-phosphate groups covalently bonded to the polymeric backbone. These inorganic units provide numerous crosslinkers, resulting in a highly interconnected and interlocked inorganic/organic structure. The OIH materials were optically transparent between the 420 nm - 1100 nm, however, these materials showed low transmittance in the near-infrared region (NIR) due to the high organic content of these matrices. In a second contribution, we modified the synthesis route to achieve aluminum-phosphate-silicate OIH materials with higher inorganic mass concentration and improved transmittance in the NIR. We investigated in-depth the structure of these materials by means of solid-state NMR and observed that the inorganic network is formed by aluminum-phosphate units interconnected by silicate chains. The chemical environment of the phosphate and aluminate sites could be tuned based on the aluminum to phosphorus ratio, allowing the structure to be tailored in order to enhance the lanthanide ions hosting ability of these materials. These structural features present these materials as potential candidates to immobilize lanthanide ions for developing active optical components. In a third contribution, we developed and tested a mathematical model describing the exposure profile outputted by the custom-built printer employed in this work, allowing us to model the laser-resin interaction in this equipment, and to correlate the printing parameters measured for our materials with those of commercial AM setups. Furthermore, we identified that this printing system can, theoretically, print faster compared to commercial platforms under specific conditions of beam diameter and overlap between pulses. In a fourth contribution, we explored the additive manufacturing of the aluminum-phosphate-silicate resins. The evolution of the 3D printing parameters of these materials (critical energy and penetration depth), and of the photopolymerization kinetics with light intensity and silicate concentration was studied. These results indicate the shift of critical conversion towards higher polymerization degree as the concentration of silicate increases, which was associated to a higher tendency towards cyclization. These results were employed to validate a photochemical model published in the literature describing the laser-resin interaction in VPP systems, elucidating the link between critical energy and photopolymerization kinetics. In our last contribution, we studied the refractive index distribution and the presence of optical anisotropies in 3D printed lines. We identified that the 3D printed parts are optically homogenous, despite the presence of a gradient of polymerization degree associated to the penetration of the laser into the resin and the beam profile. Optical anisotropies were identified, and polarized micro-Raman measurements indicate that the birefringence arises from the shear stress perpendicular to the scan direction due to the inflow of monomer towards the polymerization spot. / A manufatura aditiva (MA) é uma tecnologia com grande potencial para aplicações em fotônica, pois contorna as limitações impostas por métodos tradicionais de manufatura. Entre as várias técnicas de MA disponíveis, a fotopolimerização em cuba (VPP) é uma das poucas que atende os requisitos de tolerância presente na fabricação de dispositivos fotônicos. No entanto, um dos principais desafios que impedem ampla adoção da VPP na fabricação de dispositivos ópticos é a baixa disponibilidade de materiais processáveis com as técnicas de VPP. O objetivo desta tese foi desenvolver, elucidar a estrutura, fabricar via manufatura aditiva e estudar as propriedades ópticas de peças impressas 3D de materiais híbridos de alumínio-fosfato. Esses materiais foram desenvolvidos utilizando a rota sol-gel como candidatos para a fabricação de dispositivos fotônicos ativos e passivos via impressão 3D. Esses materiais foram processados via VPP usando um sistema MA customizado, operando sob condições de exposição intermitente. Foi desenvolvido e testado um modelo matemático descrevendo o perfil de exposição produzido por esse sistema VPP customizado, uma vez que seu princípio operacional difere daquele de plataformas comerciais. Em seguida, os parâmetros de impressão 3D e a cinética de fotopolimerização desses novos materiais foram estudados, permitindo sua impressão 3D. Por fim, foi estudado a homogeneidade óptica e a presença de anisotropias ópticas em partes produzidas por MA desses materiais. Esses objetivos foram explorados ao longo de cinco publicações científicas, compondo os cinco capítulos desta tese. Em nossa primeira contribuição, sintetizamos soluções fotopolimerizáveis de alumínio-fosfato, resultando em materiais híbridos orgânico-inorgânicos (HOI) compostos por cadeias de poli (2-hidroxietil metacrilato) com grupos alumínio-fosfato covalentemente ligados ao esqueleto polimérico. Essas unidades inorgânicas atuam como ligações cruzadas, resultando em uma estrutura inorgânica-orgânica altamente interconectada e interligada. Os materiais obtidos são totalmente transparentes entre 420 nm - 1100 nm, porém possuem baixa transmitância na região do infravermelho próximo (NIR) devido ao alto teor orgânico dessas matrizes. Em uma segunda contribuição, modificamos a rota de síntese para obter materiais HOI de alumínio-fosfato-silicato com maior teor de massa inorgânica e melhor transmitância no NIR. Investigamos em detalhe a estrutura desses materiais por meio de RMN de estado sólido e observamos que a rede inorgânica é formada por unidades de alumínio-fosfato interligadas por cadeias de silicato. O ambiente químico dos sítios de fosfatos e alumínio podem ser modificados por meio da razão alumínio para fosforo, permitindo que a estrutura seja otimizada para a introdução de íons lantanídeos. Essas características estruturais apresentam esses materiais como potenciais candidatos à imobilização de íons lantanídeos para o desenvolvimento de componentes ópticos ativos. Em uma terceira contribuição, desenvolvemos e testamos um modelo matemático descrevendo o perfil de exposição produzido pela impressora personalizada empregada neste trabalho, permitindo-nos modelar a interação laser-resina e correlacionar os parâmetros de impressão medidos para nossos materiais com aqueles de plataformas comerciais de MA. Além disso, identificamos que este sistema de impressão pode, teoricamente, imprimir mais rápido comparado a plataformas comerciais, desde que condições específicas de diâmetro do feixe e sobreposição entre pulsos sejam atendidas. Em uma quarta contribuição, exploramos a manufatura aditiva das resinas de alumínio-fosfato-silicato. Foi estudada a evolução dos parâmetros de impressão 3D desses materiais (energia crítica e profundidade de penetração) e da cinética de fotopolimerização com a intensidade de luz e a concentração de silicato. Os resultados obtidos indicaram um aumento da conversão critica das resinas com o aumento da concentração de silicato, o que estaria associado a uma maior contribuição da reação de ciclização. Esses resultados foram empregados para validar um modelo fotoquímico descrevendo a interação laser-resina em sistemas VPP publicados na literatura, elucidando a relação entre energia crítica e cinética de fotopolimerização. Em nossa última contribuição, estudamos a distribuição do índice de refração e a presença de anisotropias ópticas em linhas impressas 3D. Foi verificado que as peças impressas em 3D são opticamente homogêneas, apesar da presença de um gradiente de grau de polimerização associado à penetração do laser na resina e do perfil do feixe. Anisotropias ópticas foram identificadas, e medidas de espalhamento micro-Raman polarizado indicaram que a birrefringência e oriunda da tensão de cisalhamento perpendicular à direção da varredura causada pelo influxo de monômero em direção ao centro da polimerização.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2023 / Les activités de planification et d'ordonnancement sont complexes et leur optimisation est cruciale pour les entreprises, particulièrement dans les réalités économiques et industrielles modernes. En effet, la forte concurrence engendrée par la globalisation du marché, l'exigence croissante des consommateurs en termes de qualité et délais, ou encore l'utilisation d'environnements technologiques fortement connectés (Industrie 4.0), motivent les entreprises à améliorer continuellement leurs approches de gestion tactique et opérationnelle (Lasi et al., 2014; Hozdić, 2015; Alcácer and Cruz-Machado, 2019). C'est particulièrement vrai pour les produits d'ingénierie sur demande, ou Engineer-To-Order (ETO). Ces produits sont souvent très complexes en termes de structure, uniques ou non-standards, et sont fabriqués sur la base de besoins incertains et d'une conception incomplète ou vouée à évoluer (Wortmann, 1983, 1992; Mather, 1999; Little et al., 2000; Jünge et al., 2021; Alfnes et al., 2021). Ils conviennent particulièrement bien aux Petites et Moyennes Entreprises (PMEs) qui voient dans ce service de personnalisation un avantage concurrentiel par rapport aux grandes organisations disposant de capacités de production plus importantes (Little et al., 2000; Kusturica et al., 2018; Zennaro et al., 2019). Cependant, la nature incertaine de ces produits rend plus difficile l'évaluation des prix, la prévision des charges et des durées, engendre du gaspillage (d'éléments achetés ou produits avant d'être modifiés ou annulés) et réduit la robustesse des ordonnancements (par nécessité de réordonnancement) (Gutfeld et al., 2014; Hooshmand et al., 2016; Bhalla et al., 2022). Afin de proposer des décisions pertinentes et de prédire avec justesse les résultats qui en découleront, un système d'aide à la décision pour la planification et l'ordonnancement dédié au contexte ETO se doit de tenir compte des spécificités de ses produits et du processus permettant leur réalisation. Par exemple, les projets ETO sont généralement exécutés en ingénierie concurrente : on produit les pièces validées sans attendre la fin de la conception du projet. De plus, contrairement aux activités de production ou d'assemblage, les étapes d'ingénierie et de design peuvent être répétées jusqu'à la validation du client, ne sont exécutées qu'une fois pour différents éléments identiques du projet, sont souvent mesurées en journées, voire semaines, et sont soumises à des règles de précédence différentes. À cet égard, cette thèse s'articule autour de la question de recherche suivante : "Par quels moyens fonctionnels, méthodologiques, technologiques et architecturaux un système d'aide à la décision pour la planification et l'ordonnancement peut-il répondre aux problématiques des PMEs liées à l'approche ETO ?" Les cinq principales problématiques visées étant (i) l'instabilité des plans et ordonnancement construits, (ii) le gaspillage (de temps, de ressources matérielles ou financières) dû aux révisions de la conception, (iii) la difficulté à satisfaire les attentes des clients en termes de coût et délais, (iv) la forte concurrence du marché industriel moderne ou encore (v) la difficulté à prédire la performance des décisions prises. À travers cette thèse, nous répondons à cette question en proposant un système intelligent de planification et d'ordonnancement dédié au contexte ETO. L'objectif étant d'obtenir un système complet et fonctionnel. Ce dernier est composé d'un modèle de données (comportant les décisions clés, les informations nécessaires à la prise de ces décisions, les métriques d'évaluation et les contraintes d'optimisation), de plusieurs modules fonctionnels reposant sur des algorithmes d'optimisation et d'apprentissage novateurs, ainsi que sur une séquence d'interactions entre ces modules pour accomplir les différents cas d'utilisation. Afin d'appréhender de manière réalisable l'atteinte de cet objectif, nous avons réparti les étapes de création du système en sept contributions scientifiques. Tout d'abord, l'architecture est composée de cinq contributions conceptuelles : (i) la conceptualisation et la modélisation mathématique du problème étudié, (ii) la proposition d'une stratégie d'ordonnancement robuste, (iii) la conception d'une méthode heuristique de résolution (algorithme génétique hybride) du problème de planification et d'ordonnancement, (iv) la conception d'une méthode de construction d'une stratégie qui incorpore les décisions de planification et d'ordonnancement dans une stratégie commerciale et prédit son impact sur plusieurs métriques (à l'aide d'un réseau de neurones artificiels), et finalement, (v) l'architecture qui regroupe ces différents éléments. Ces contributions ont été possibles à la suite de différentes analyses et revues de la littérature scientifique. Ces revues ont permis de détecter des manques à combler et de faire des choix quant aux outils et méthodes à exploiter. La nature complexe, stochastique et combinatoire des problèmes rencontrés nous a motivé à opter pour une utilisation combinée de méthodes issues de l'intelligence artificielle (apprentissage automatique, méthodes d'optimisation combinatoire et simulation). Finalement, nous avons développé un prototype de notre architecture sous la forme d'un logiciel de simulation pédagogique et gamifiée. Nos contributions ont tout d'abord été testées unitairement et quantitativement à l'aide de deux types de métriques : leur performance computationnelle (vitesse d'exécution et mémoire utilisée) et la qualité des solutions proposées (déviation de l'optimalité, qualité pratique mesurée à l'aide de scénarios aléatoires d'exécution). Les résultats publiés démontrent ainsi (i) la capacité de nos méthodes à opérer sur des projets de taille réelle et (ii) la qualité des solutions proposées. Ensuite, la réalisation du prototype a permis de tester leur intégration sous la forme d'un système complet et fonctionnel. Ce prototype a par ailleurs été utilisé dans le cadre d'un cours dispensé à l'Université Laval. / Planning and scheduling activities are difficult and significantly impact the performance of manufacturing companies. The latter are therefore forced to constantly search for optimization methods that could help improve their tactical and operational decisions. It is especially true in modern economic and industrial realities characterized by strong competition due to the globalization of the market and growing expectations for quality and short lead times (Lasi et al., 2014; Hozdić, 2015; Alcácer and Cruz-Machado, 2019). Both activities are even more challenging in the Engineer-To-Order (ETO) context. Indeed, ETO products are one-of-a-kind or highly customized and non-standard. They are often composed of a complex structure (BOM/EBOM) and their production is executed based on uncertain needs for features and an incomplete design, intended to evolve over time (Wortmann, 1983, 1992; Mather, 1999; Little et al., 2000; Jünge et al., 2021; Alfnes et al., 2021). The ETO context is very suitable for Small and Medium Enterprises (SMEs) which see this additional service of design and engineering as a competitive advantage over industries with larger production capacities (Little et al., 2000; Kusturica et al., 2018; Zennaro et al., 2019). However, producing a partially unknown product complicates the forecast of costs, workloads, or deadlines (Gutfeld et al., 2014; Hooshmand et al., 2016; Bhalla et al., 2022). ETO projects are also subject to unstable schedules (with frequent rescheduling) and waste of time and resources. To offer appropriate planning and scheduling decisions and precisely forecast their performance, decision support systems dedicated to the ETO context should consider the specificities of typical products and execution processes. For instance, ETO projects are typically executed in concurrent engineering: already validated items are produced without waiting for the complete design of the product. Besides, unlike physical operations (production and assembly), non-physical activities (design and engineering) are repeated until validated by the client; are executed once for several identical items; are measured in days or even weeks; and do not respect the same precedence relations. This thesis intends to answer the following research question: "By what functional, methodological, technological, and architectural means can a decision support system for planning and scheduling address the issues faced by SMEs due to the ETO approach?" The five main issues addressed are (i) the frequent need for rescheduling, (ii) the waste of time and resources (due to items cancellation or modification after their purchase or production), (iii) the difficulty to satisfy the client expectations in terms of cost and lead time, (iv) the strong competition of the modern industrial market, and (v) the inability to forecast the impact of the decisions. Through this thesis, we answer this question by proposing an intelligent planning and scheduling system dedicated to the ETO context. We aim to obtain a complete and operational system. Hence, its architecture is composed of a data model (including the main decisions, the mandatory data to make those decisions, the metrics to evaluate their quality, and the optimization constraints), several business modules based on innovative optimization and learning algorithms, and the sequence of interactions needed to accomplish the different use cases. We then divided the different steps needed to answer the research question into seven achievable scientific contributions. First, the technical components of our architectures represent the five main contributions: (i) a mathematical model representing the studied problem, (ii) a robust planning and scheduling strategy, (iii) a hybrid genetic algorithm able to solve a real-sized instance of the problem, (iv) a prediction model, based on artificial neural networks, to build a complete commercial strategy incorporating the planning and scheduling decisions and forecasting its performance, and (v) the software architecture. Our contributions were possible only after various analyses and literature reviews. Those reviews allowed us to notice gaps regarding our context and make informed choices. To overcome the complex, stochastic, and combinatorial nature of the problems encountered, we opted for a combined use of methods linked to Artificial Intelligence (heuristic optimization, machine learning, and simulation). Finally, we implemented a prototype of our system as a gamified software dedicated to learning purposes. We first tested our contributions separately (unit tests) using two types of quantitative metrics: the computational performance (computing time and memory used) and the quality of the proposed solutions (deviation, impact of randomly generated scenarios). The results highlighted the capacity of our methods to solve realistic instances and the impact of our planning and scheduling strategy. Then, our prototype of implementation allowed us to validate their viable integration as a complete system. Our prototype has also been tested and used as part of a course given at Université Laval.

Les variations dans la qualité des fromages affinés sont expliquées par plusieurs facteurs. Parmi ceux-ci, certains influencent la nature du microbiote des fromages, par exemple la présence de protéines antimicrobiennes natives du lait. Ce projet vise à déterminer la concentration et l'activité de la lactoferrine (Lf), de la lactopéroxydase (Lpo) et du lysozyme (Lz) au cours de la fabrication fromagère et dans différents types de fromages (Cheddar frais, Cheddar doux, Camembert et Suisse). Chaque protéine antimicrobienne fut analysée par deux méthodes. La technique de dosage d'immunoabsorption par enzyme liée (ELISA) fut employée pour chaque protéine. De plus, la Lpo fut mesurée par spectrométrie, la Lz par fluorescence et la Lf par HPLC. La mesure de Lf, Lpo et Lz dans le lait cru, le lait thermisé et le fromage frais a permis de déterminer qu'il n'y avait pas de différences significatives entre les teneurs dans le lait cru et le lait thermisé. Les résultats ont aussi démontré qu'il y a une quantité plus importante des trois antimicrobiens dans le fromage que dans le lait, et ce par un facteur de 2,78. Lors de l'étude des différents types de fromage commerciaux, diverses méthodes ont été comparées à l'ELISA. Il y a un manque de corrélation entre les valeurs obtenues par ELISA et celles obtenues par les autres méthodes. Les résultats révèlent que le fromage Camembert a une concentration moindre d'antimicrobiens que les trois autres fromages. Ceci semble être associé à une protéolyse plus avancée dans le Camembert. Les résultats ont aussi été rapportés par « gramme de protéines » et il y a tout de même des différences significatives entre les différents types de fromage. Ces résultats permettre une meilleure compréhension du passage des antimicrobiens présents dans le lait vers le fromage pour pouvoir, éventuellement, contrôler leur concentration. / Variations in cheese quality are explained by several factors. Among them, some influence the microbiota of cheeses such as native milk antimicrobial proteins. This project aims to determine the concentration and activity of lactoferrin (Lf), lactoperoxidase (Lpo) and lysozyme (Lz) during cheese making and in different cheese types (fresh Cheddar, mild Cheddar, Camembert and Suisse). Each antimicrobial protein was analyzed by two methods. An enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) technique was employed the analysis of each protein. In addition, the Lpo was measured by spectrometry, the Lz by fluorescence and the Lf by HPLC. The measurement of Lf, Lpo and Lz in raw milk, thermized milk and fresh cheese revealed that there were no significant differences between level in raw milk and thermized milk. Results also showed that there is a higher quantity of the three antimicrobials in cheese than in milk by a factor of 2.78. When studying different types of commercial cheese, the various methods were compared to ELISA. There is a lack of correlation between the results obtained by ELISA and those of the other methods. Results show that Camembert cheese has lower levels of antimicrobials than the other 3 cheeses and is different from Swiss cheese for all antimicrobials. This seems linked to a higher degree of proteolysis in Camembert. The results were also reported by "grams of protein" and there are still significant differences between the different types of cheese. These results allow a better understanding of the transition of the antimicrobials present in the milk towards the cheese to be able, possibly, to control their concentration.

L’ajustement protéique du lait de fromagerie par ultrafiltration (UF) est une pratique courante, mais très peu d’études ont porté sur l’utilisation de l’osmose inverse (OI) pour la fabrication fromagère. La préconcentration du lait de fromagerie par OI permettrait d’améliorer l’éco-efficience du procédé, ainsi que d’augmenter l’efficacité de production et les rendements. Des travaux récents ont montré que les fromages fabriqués à partir des concentrés d’OI contiennent une teneur importante en lactose et en minéraux et sont plus humides que les autres types de fromages. Dans le cadre de ce projet de recherche, l’ajustement du pH, le lavage du caillé et l’utilisation d’un agent chélateur du calcium sont les leviers qui ont été évalués pour leur potentiel à égoutter et à déminéraliser le fromage. Les propriétés fromagères ont été étudiées en comparaison avec celles des concentrés d'UF. Dans cette étude, il a été possible d’explorer une nouvelle application d’un sel habituellement utilisé pour la fabrication des fromages fondus. Le salage à sec avec le citrate de sodium (TSC) a amélioré la rétention du gras de 4,56 % dans les fromages d’OI, mais des études complémentaires de distribution minérale seront nécessaires pour déterminer s’il s’agit d’un levier d’intérêt. Dans les conditions testées, le lavage du caillé n’a pas amélioré les propriétés des concentrés d’OI. L'acidification a permis d’augmenter les rendements, la rétention du gras et l’égouttage et a diminué la teneur en minéraux et le ratio calcium total / protéines du fromage modèle. Les rendements obtenus lors de la fabrication fromagère à partir des concentrés d’OI étaient de 2 à 3 % supérieurs à ceux obtenus en UF. Cette étude suggère que le pH peut jouer un rôle majeur dans l'amélioration de la qualité des fromages faits de concentrés d'OI et que ce type de concentré peut contribuer à améliorer significativement les rendements fromagers par rapport à l’UF. / The protein adjustment of cheese milk by ultrafiltration (UF) is a common practice, but very few studies have focused on the use of reverse osmosis (RO) for cheesemaking. Milk preconcentration by RO prior to cheesemaking could improve the eco-efficiency of the process, as well as to increase production efficiency and yields. Previous studies have shown that cheeses made from RO concentrates have a high content of lactose, minerals and moisture in comparison to other types of cheeses. As part of this research project, pH adjustment, curd washing and the use of a calcium chelating agent are the levers that have been evaluated for their potential to decrease the level of moisture and minerals in the cheese. Cheesemaking properties of RO concentrates have been studied in comparison with those of UF concentrates and non-concentrated milk. In this study, it was possible to explore a new application of a chelating salt usually used in processed cheese. Dry salting with trisodium citrate (TSC) improved fat recovery by 4.56%, but further studies of mineral distribution will be necessary to determine if it is a lever of interest. In the conditions tested, washing the curd with water or with TSC solution did not improve the properties of RO concentrates. Acidification helped to increase yields, fat recovery and curd drainage and decreased the mineral content and total calcium / protein ratio of model cheese. The yields obtained during cheesemaking from RO concentrates were 2 to 3 % higher than those obtained with UF. This study confirms the importance of controlling pH in cheesemaking and its fundamental impact on cheese mineralization and moisture. It also suggests that pH can play a major role in improving the quality of cheese made from RO concentrates and that this type of concentrate can significantly improve cheese yields compared to UF.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 avril 2023) / L'industrie de la construction est en changement de paradigme. Sur les marchés, la demande ne cesse de croître, alors que l'offre ne peut répondre à la demande. De nouvelles méthodes et techniques sont utilisées pour contrer la pénurie de main d'œuvre, la crise climatique et la faible productivité. Certaines de ces méthodes impliquent la préfabrication de modules et de panneaux en bois dans un environnement de production contrôlé. Alors que la construction de bâtiments évolue en processus manufacturiers, le taux de productivité demeure faible. Ceci est en partie dû au faible taux d'adoption de technologies et d'automatisation dans les lignes de production. Ce projet de maîtrise se concentre sur le processus manufacturier de la préfabrication de murs à ossature légère. Une revue de littérature fait état de l'art sur le niveau d'automatisation, les types d'environnement de production et les outils technologiques impliqués dans la préfabrication de murs à ossature légère. Un cas d'études impliquant une entreprise qui a développé un système constructif pour les murs à ossature légère est étudié en détail. Des aménagements de production allant de peu a très automatisés sont conceptualisés pour la préfabrication de murs à ossature légère. Les différents aménagements sont testés dans un modèle de simulation et l'impact sur les différents indicateurs de performance est observé. Une analyse économique est effectuée sur les différents aménagements proposés et une méthodologie d'implantation est suggérée. Les indicateurs de performance mis en place démontrent que l'aménagement de production impliquant une cellule robotisée avec un haut niveau d'automatisation projette des résultats de performance intéressants. / The construction industry faces a paradigm shift. On the markets, the demand is rising, while the supply cannot satisfy the demand. New methods and techniques are being used to overcome the labour crisis, climate crisis, and productivity crisis. Some of these methods include the prefabrication of modules and wood panels in a factory. Although the construction of buildings is evolving into a manufacturing process, the prefabrication sector still lacks productivity and efficiency. This is mainly due to the low adoption of automation and technologies in the production lines. More specifically, this master's thesis focuses on the production processes of prefabricated timber frame walls. First, a literature review is done to assess the level of automation, the types of production environment, and technological tools involved in the prefabrication of timber frame walls. Thereafter, a case study involving a company who has developed a fully prefabricated timber frame wall system is studied in detail. The focus is on the production environment and the level of automation needed regarding several performance indicators for the studied system. These different layouts with different automation levels are tested in a simulation model to see their impact on several performance indicators. An economic analysis is done on the different layouts and a methodology of implementation is suggested. Results show that the most performing scenario involve a robotic cell with the highest level of automation.