<p>Metal 3D printing typically requires high energy laser or electron sources. Recently, 3D printing using metal filled filaments becomes available which uses PLA filaments filled with metal powders (such as copper, bronze, brass, and stainless steel). Although there are some studies on their printability, the detailed study of their sintering and characterizations is still missing.</p> <p>In this study, the research is focused on 3D printing of bronze filaments. Bronze is a popular metal for many important uses. The objectives of this research project are to study the optimal processing conditions (like printer settings, nozzle, and bed temperatures) to print bronze metal filament, develop the sintering conditions (temperature and duration), and characterization of the microstructure and mechanical properties of 3D printed specimens to produce strong specimens.</p> <p>The thesis includes three components: (1) 3D printing and sintering at selected conditions, following a design of experiment (DOE) principle; (2) microstructure and compositional characterizations; and (3) mechanical property characterization. The results show that it is feasible to print using bronze filaments using a typical FDM machine with optimized printing settings. XRD spectrums show that there is no effect of sintering temperature on the composition of the printed parts. SEM images illustrate the porous structure of the printed and sintered parts, suggesting the need to optimize the process to improve the density. The micro hardness and three-point bending tests show that the mechanical strengths are highly related to the sintering conditions. This study provides important information of applying the bronze filament in future engineering applications.</p>

Die Erzeugung immer kürzerer und energiereicherer Laserimpulse ist eine der wichtigsten Aufgaben der Laserphysik, um physikalische Phänomene in bisher unerreichten elektrischen Feldstärkebereichen zugängig zu machen und Beobachtungen auf kleinster Zeitskala zu ermöglichen. Mit Hilfe der Nachkompression verstärkter, in edelgasgefüllten Hohlfasern selbstphasenmodulierter Ti:Saphir-Laserimpulse werden die momentan kürzesten Impulse des sichtbaren Spektralbereiches erzeugt, die nur noch wenige Schwingungszyklen des elektrischen Feldes umfassen. Ebenso notwendig wie ein solcher Schritt der Impulskompression ist der verlässliche Nachweis seines Ergebnisses. Allerdings wächst auch die physikalische und technische Herausforderung einer präzisen und vollständigen Messung des ultrakurzen Laserimpulses mit zunehmender Komplexität und Breite des Impulsspektrums. Die vorliegende Arbeit stellt sowohl auf dem Gebiet der Kompression von Sub-10-fs Impulsen als auch auf dem der vollständigen Charakterisierung solcher Impulse optimierte aber auch neue Verfahrenstechniken vor. In Experimenten an einem zweistufigen Hohlfaserkompressor wird die Erzeugung der momentan kürzesten, nicht adaptiv komprimierten Impulse mit einer Dauer von lediglich 3,8 fs demonstriert. Eine elegante Alternative zu bisherigen Kompressionsmethoden zeigt der Nachweis effektiver Selbstkompression von mJ-Impulsen auf unter 8 fs in einem selbstführenden Edelgasfilament auf. Zur Kontrolle erfolgreicher Impulskompression und für eine phasenempfindliche Untersuchung des Prozesses der Dispersionskompensation über spektrale Bandbreiten von bis zu einer Oktave mussten etablierte Impulsmesstechniken wie das SPIDER- (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction) und das FROG- (Frequency-Resolved Optical Gating) Verfahren weiterentwickelt werden. So wird mit der Realisierung und vollständigen Analyse interferometrischer FROG-Messungen ein neues phasenempfindliches Impulsmessverfahren vorgestellt. / One challenge of today’s laser physics is the stable compression of more and more intense laser pulses to the shortest possible pulse duration to enable new high-field laser experiments and to investigate fast atomic or molecular dynamics. At present, the shortest laser pulses of the visible spectral region envelop only a few cycles of the electric field. The state of the art method to generate such short pulses behind a Ti:sapphire amplifier laser system is by means of successive steps of spectral broadening inside a gas-filled hollow fibre and dispersion compensation. However, a reliable pulse characterization is as important as the pulse compression. The more spectral bandwidth the pulse covers the more technically challenging is the measurement of the pulse’s electric field structure. In this work, new concepts of compression and characterization of pulses down to durations below 10 fs are demonstrated as well as further optimization of established techniques. Due to modern, chirped-mirror based dispersion compensation pulses as short as 3.8 fs were generated with a two-stage hollow fibre compressor. At present, these are the shortest pulses of the visible spectral region, compressed without adaptive means for dispersion compensation. For the first time the effect of self-compression of mJ-pulses to below 8 fs in a self-guiding noble gas filament is demonstrated experimentally and determined by numerical simulations. Advanced pulse characterization schemes were needed for a phase-sensitive investigation of dispersion compensation and pulse compression of white light pulses. An optimized design of the SPIDER (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction) technique is demonstrated that facilitates the measurement of the pulse’s spectral phase in case of broadband structured spectra. With the implementation of an interferometric FROG (Frequency-Resolved Optical Gating) a new phase-sensitive pulse characterization method is introduced.

Les aérosols sont une composante essentielle de la pollution urbaine et de la physico-chimie de l'atmosphère. Il est primordial de disposer de cartographies 3D de leur concentration par méthode lidar.<br />Une méthode originale, à une longueur d'onde, a été développée. Elle est basée sur l'impaction et l'étude de filtres permettant d'obtenir des informations complémentaires sur la distribution de taille des aérosols et sur leur composition. Les résultats, obtenus dans l'UV montrent que la distribution a un mode pour les petites tailles (~100 nm) et un mode pour les particules plus grosses (~1 μm). Notre lidar a aussi permis de mesurer la concentration en aérosols, l'évolution et la stratification de la couche limite. Mais cette méthode reste lourde à cause de l'étude des filtres et utilise comme hypothèse forte que l'atmosphère est homogène verticalement.<br />Pour distinguer entre les modes des particules et obtenir un diagnostique « tout-optique », nous avons étendu dans l'IR, plus sensible aux aérosols de la taille du micron, le système lidar UV existant, plus sensible aux petites tailles.<br />Cette extension est basée sur des oscillateurs paramétriques optiques (OPO). Les différents cristaux susceptibles de produire efficacement de l'IR moyen ont été testés. Ces cristaux sont le KTiOPO4, le KTiAsO4 et le KNbO3. Puis, un de ces OPO a été implanté dans notre système lidar. Les mesures lidar préliminaires de concentration dans l'IR, ont été obtenues pour des gouttelettes d'eau lors d'un épisode de brume. Parallèlement aux systèmes lidar linéaires précédents, un projet de lidar non-linéaire (projet Teramobile), a vu le jour. Une source de lumière blanche provenant des filaments, générés dans l'air lors de la propagation d'un faisceau laser térawatt, est utilisée pour faire du lidar aérosols multispectral. Avec cette source allant de l'UV à l'IR moyen, des mesures de concentration en aérosols seront possibles sans aucune hypothèse a priori contrairement aux méthodes précédentes.

Cette thèse propose une étude théorique des propriétés de transport électronique dans divers réseaux d'une taille nanoscopique, dont la production est devenue possible grâce au progrès récents de la technique de nanofabrication. Les trois types de dispositifs ont été analysés: les nanotubes, les filaments quantiques et les jonctions Josephson. Dans la première partie nous retrouvons, par les méthodes du groupe de renormalisation et de la bosonisation, les diagrammes de phase pour les réseaux réguliers de fils quantiques dans les régimes de faible et forte interaction électronique. Dans la deuxième partie nous nous intéressons aux effets combinés des interférences quantiques dans les réseaux de symétrie Z2 locale en présence d'interaction Coulombienne. Dans le dernière chapitre nous proposons un modèle du spectromètre courant-tension mésurant l'énergie des q-bits, qui peut trouver ses applications dans la théorie de l'information quantique.

Dans l'atmosphere solaire apparaissent des structures magnetiques telles que les boucles de regions actives, les filaments-protuberances, ou les sigmoides. Les proprietes de ces structures sont liees aux parametres thermodynamiques (temperature, densite, pression) ainsi qu'a la nature du champ magnetique associe a ces structures. Notre interet s'est porte sur l'etude des filaments qui correspondent a des structures magnetiques dont la masse est plus elevee et la temperature plus froide que le milieu coronal environnant. Pour ce faire, deux methodes d'analyse et de diagnostic ont ete developpees : la reconstruction du champ magnetique coronal tridimensionnel, et l'etude d'ondes magnetohydrodynamiques (MHD) dans les filaments. <br /><br />A partir des mesures du champ magnetique vectoriel au niveau photospherique, la reconstruction du champ magnetique coronal permet de determiner la geometrie et la topologie des tubes de flux caracterisant une region active. En particulier dans le cas etudie, la reconstruction suivant l'hypothese d'un champ sans-force non lineaire a permis de preciser la structure d'un systeme de boucles observe en EUV par EIT/SOHO, et d'un sigmoide observe en rayons X par SXT/Yohkoh. La nature du filament est deduite de la recherche de l'existence de creux magnetiques pouvant maintenir cette structure massive en equilibre dans la couronne. <br /><br />Le spectrometre SUMER/SOHO a fourni des observations de filaments dans ou proche de regions actives qui ont permis d'etudier les variations temporelles du decalage Doppler de la raie de l'helium neutre à 58.4 nm. Utilisant une analyse de Fourier, des frequences caracteristiques ont ete identifiees a des modes d'oscillations d'ondes d'Alfven ou magnetoacoustiques donnant acces a des parametres magnetiques et thermodynamiques du filament. De nouvelles observations obtenues par THEMIS/Tenerife (campagne MEDOC 5) apportent des informations supplementaires sur la dynamique des filaments et sur les ondes MHD dans ces structures.

On caractérise les milieux excitables par le fait qu'ils présentent un point d'équilibre linéairement stable et qu'une perturbation finie peut entraîner une longue excursion dans l'espace des phases. Les comportements de tels milieux sont en général bien approchés par des modèles simplifiés de réaction-diffusion a deux variables. Des exemples de milieux excitables sont le coeur, les axones neuronaux et la réaction de Belousov-Zhabotinsky dans les gels. On peut y observer des ondes d'excitation planes et spirales. Ce mémoire est consacré à l'étude numérique de la dynamique des filaments (ondes spirales empilées le long du filament) d'ondes spirales, éventuellement twistés, dans les milieux excitables. Dans un premier temps on calcule les états stationnaires par une méthode de Newton, puis on étudie la stabilité linéaire de ces états vis à vis de perturbations modulées suivant l'axe du filament par une méthode itérative, enfin on détermine les états restabilisés, quand ils existent, à l'aide de simulations numériques directes. L'étude des filaments non twistés met en évidence deux instabilités distinctes. L'une due à la déstabilisation de la branche de méandre (modulation périodique du rayon de rotation de la spirale) aboutit à un état restabilisé que nous caractérisons précisément. Cette instabilité correspond à une bifurcation de Hopf. L'autre correspond à une déstabilisation des modes de translation et aboutit à un état désordonné. L'étude de l'influence du twist sur la dynamique des filaments de spirales montre que le twist induit une déstabilisation des modes de translation à nombre d'onde fini. Cette bifurcation de Hopf correspond à la transformation du twist imposé au filament en Writhe (déformation géométrique). Le filament prend, dans les cas simples, une forme hélicoïdale. Dans des cas plus compliqués il prend une forme invariante dans le temps qui est la somme de plusieurs hélices. Une analogie avec une tige élastique soumise à la torsion est présentée.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration industrielle avec la société Pantechnik. Elle a consisté au développement d'un nouveau banc de test dédié à la caractérisation de sources d'ions RCE fonctionnant à 2,45 GHz en vue de la production de faisceaux intenses pour des applications industrielles. Deux sources RCE avec des structures magnétiques différentes sont testées sur la ligne avec le même système d'injection HF. Une nouvelle source avec aimants permanents, présentant une extraction dipolaire (SPEED) a été conçue et testée. Une étude de l'extraction des faisceaux d'ions dans le champ magnétique dipolaire est proposée. Les premières expériences ont montré une densité de courant ionique total de ~10 mA/cm2 à 20 kV et une puissance HF de 900 W. Les tests en plasma d'hydrogène ont montré que l'espèce dominante est la molécule H2+. Des propositions sont faites pour modifier la structure magnétique de la source d'ions afin améliorer ces performances et produire principalement des ions H+. La source d'ions MONO1000 a été testée à forte puissance HF avec un système de couplage par guide d'onde. De très intenses densités de courant d'ions hydrogène ont été mesurées (~95 mA/cm2) avec une extraction de type diode et une efficacité de transport de l'ordre de 70%. Les premiers tests utilisant un système d'extraction amélioré à cinq électrodes sont présentés.

Los volantes de inercia superan a las baterías eléctricas por su capacidad de absorber y ceder energía en poco tiempo y, si se fabrican con materiales compuestos, también por su reducido peso. La tesis presenta un estudio sobre los rotores de materiales compuestos aplicados a los acumuladores cinéticos para hacerlos más asequibles a usos industriales baratos. Para ello se proponen dos objetivos: obtener un sistema analítico de cálculo, y mejorar el diseño de rotores de bajo coste.Se desarrolla un sistema analítico de cálculo muy completo, tanto en las cargas como en las tensiones. Se consideran todas las cargas necesarias para el diseño mecánico del rotor: la fuerza centrífuga, la fuerza de aceleración y las tensiones residuales, térmica y de hidratación; y se determinan todas las componentes, normales y cortantes, de la tensión para cada punto del rotor.El cálculo en condiciones de tensión plana, utilizado por la mayoría de autores, se amplía con el cálculo en deformación axial constante, que es una variante mejorada de la deformación plana. Se comprueba que sus resultados son mejores que los de tensión plana cuando se comparan con los obtenidos en modelos de elementos finitos. Paralelamente, como aportación nueva de la tesis, se deducen las funciones de la variación de la tensión axial y de la tensión cortante radial-axial a lo largo del eje longitudinal del rotor. A partir de estos resultados se desarrolla un sistema general de cálculo que, además de unificar los sistemas de tensión plana y deformación axial constante, permite determinar todas las tensiones en cualquier posición radial-axial del rotor.Este sistema unificado de cálculo se amplia con tres particularidades: una aplicación de cálculo para resolver rotores multicapa, las ecuaciones especiales para los materiales singulares no resolubles con las ecuaciones generales, y el cálculo de capas con fibras orientadas axialmente aplicadas para refuerzo en configuraciones especiales.Con el objeto de mejorar las prestaciones del rotor se estudian dos procedimientos para crear tensiones de pretensado: generando tensiones durante el bobinado y utilizando las tensiones residuales térmicas. En el primero se elabora un sistema analítico de cálculo para determinar las tensiones residuales de bobinado y se complementa con una simulación mediante elementos finitos basada en submodelos incrementales. Ambos cálculos son capaces de simular el material no curado aplicando las propiedades viscoelásticas de los ensayos experimentales de otros autores. En el segundo se presenta un sistema nuevo, denominado pretensado térmico, basado en el curado por etapas, que genera tensiones residuales parecidas a las de bobinado pero con menos problemas de fabricación.El diseño de volantes se aplica a tres configuraciones básicas: rotores híbridos multicapa con materiales de rigidez progresiva, rotores de un solo material con anillos de elastómero y rotores con pretensado térmico.Sus prestaciones se valoran con tres variables: la masa, el volumen y el coste del material; de las cuales el coste es la principal y se utiliza para la optimización de la geometría.En cada configuración se determina la energía máxima para distintas relaciones de radios del rotor y se compara con el rotor de un sólo material. Se utilizan los materiales básicos usados en la fabricación de rotores: la fibra de carbono con matriz epoxi, la fibra de vidrio con matriz epoxi, el aluminio y el acero. Los dos materiales compuestos ofrecen mejores resultados que los metales, pero disminuyen sensiblemente en rotores con espesor de pared grande. En estos casos, la energía por unidad de coste mejora aplicando los anillos elásticos y el pretensado térmico. / Flywheels are better than electric batteries in that they absorb and yield energy in shorter time and, if made out of composite materials, also in that they weight less. This thesis presents a study of composite material rotors applied to kinetic accumulators in order to make them usable for low cost general industrial uses. Two objectives are proposed: a) to develop an analytical system for computation and b) to design alternatives in order to improve the performance on low-cost rotors.The analytical system is intended to be very complete, considering all relevant types of external loads and stress components. For the former, centrifugal, acceleration forces and residual, thermal and moisture stresses are included. For the latter, five normal and shear components are computed at each point of the rotor.The usual plane stress condition is expanded with the consideration of constant axial strain, along the lines of the plane strain hypothesis but with greater accuracy. It is shown that the current theory results fit the ones from finite elements much better than those from plain stress. As a new contribution, the functions for the axial stress and the radial-axial stress along the axis of the rotor are developed. From these results, a general system that unifies the plane stress and constant axial strain can compute the stress state at any position.In addition, the unified system includes three novel aspects: an extension of computation for multi-layer rotors, special equations for some materials in which behaviour present singularities and the computation of layers with fibers along the axial direction, which can be useful as a reinforcement for some configurations.Two procedures that can create beneficial residual stresses are studied: generating stresses during the filament winding and using the thermal stresses. For the first, analytical expressions are developed and validated and complemented with especially developed finite elements based on incremental submodels. In both cases the material is characterized by viscoelastic properties taken from the literature. For the second, a new procedure called thermal prestress is based on the accumulation of partial curing processes (by stages), which is able to create residual stresses similar to those of winding but involving simpler manufacturing.Three basic configurations are studied for the design: hybrid rotors with progressive stiffness along the radius, single material rotors with elastomer thin rings and rotors manufactured with thermal prestress, evaluating the performance as a function of the mass, volume and cost of the material. The latter is defined as the most important, and it is used as a reference for the geometry optimization.The maximum energy stored on each of the configurations is compared with that of a single material rotor, using the most common ones: glass and carbon fiber both with epoxy matrix, aluminium and steel. Results show that glass/epoxy has the highest storing capability per unit cost, although the number is greatly reduced when the thickness increases. If this rotor has a thin layer of carbon/epoxy, the capability does not increase, although it does with distributed elastomeric layers. There is also an increase with fabrication based on the thermal prestress technique.

En la actualidad el mercado carece de prendas elásticas para uso profesional puesto que los elastanos habitualmente utilizados son inestables frente a altas temperaturas y químicos agresivos, e.g. termofijado, mantenimiento de indumentaria industrial etc. Recientemente se han venido utilizado filamentos olefínicos obtenidos a partir de copolímeros al azar de etileno-octeno (Dow XLA fibers producidos por The Dow Chemical Company). Aunque más resistentes a las temperaturas debido a la reticulación, su bajo punto de fusión, alrededor de 50ºC, limita el comportamiento elástico en tejidos pesados y tupidos para indumentaria profesional. La investigación tiene por objeto la obtención de monofilamentos elásticos a partir copolímeros de bloque de etileno-octeno (cuyo punto de fusión es más elevado) y con éstos, tejidos para indumentaria profesional que ofrezcan mayor fuerza de encogimiento a las temperaturas típicas de los pre-tratamientos, tintura y acabado (50ºC-120ºC). El objetivo es hacer que los tejidos encojan más durante las operaciones en húmedo bajo temperatura para mejorar así su elasticidad y aumentar el peso en comparación con los tejidos actuales manufacturados con los convencionales copolímeros homogéneos de etileno-octeno reticulados Los tejidos deberán garantizar las siguientes propiedades durante todo su ciclo de vida: estabilidad dimensional, relación elasticidad-crecimiento mejorado, resistencia química, resistencia térmica, durabilidad ante los lavados industriales y un mejor confort termofisiológico y sensorial. / Due to the lack of stability of elastane based materials against high temperatures and harsh chemicals, e.g. thermofixation and professional wear maintenance, elastic garments with elastane content are not yet fully commercial products. The Dow Chemical Company has recently commercialized a random ethylene-octene copolymer based fiber named Dow XLA fiber. Despite its higher temperature resistance as one of the crosslinking effects, its very low melting point, around 50ºC, establishes some limitations in elasticity such in heavy weight and high densely woven fabric cases typically found in professional wear applications. The target for the investigation is to produce block ethyleneoctene copolymer based filaments in which the melting point is supposed to be higher than in random copolymer materials. Different workwear fabrics will be manufactured with yarns containing such elastic filaments. It is supposed these fabrics to show high shrinkage forces even at dyeing and finishing temperatures, (50ºC-120ºC). The goal is to produce fabrics with superior shrinkage performance in order to achieve an excellent elastic power and the final desired fabric weight. Properties such as dimensional stability, stretch and growth ratio, temperature and chemical resistance and durability against industrial laundering should not be affected by the passage of the time. To validate this point these properties will be measured in the fabrics off loom and after the garment cycle life. These fabrics are also supposed to show better thermophysiological and sensorial properties than random copolymer fiber based textiles

In this thesis, the effect of semi-geodesic winding on the free vibration characteristics of filament wound composite shells of revolution with variable radii of curvature is studied. The analysis is performed by a semi-analytical solution method which is based on the numerical integration of the finite exponential Fourier transform of the fundamental shell of revolution equations. The governing equations for the free vibration analysis are initially obtained in terms of fundamental shell variables, and they are reduced to a system of first order ordinary differential equations by the application of finite exponential Fourier Transform, resulting in a two point boundary value problem. The boundary value problem is then reduced to a series of initial value problems, and the multisegment numerical integration technique is used in combination with the frequency trial method in order to extract the natural frequencies and determine the mode shapes within a given range of natural frequencies. Previous studies on geodesic winding is extended such that the effect of semi-geodesic winding which rely on the preset friction between the fiber and the mandrel surface on the stiffness and vibration characteristics of filament wound shells of revolution is investigated. Additionally, finite element analysis is employed to compare the results obtained from semi-analytical model solved by numerical integration and finite element model solved by finite element method. Sample results are obtained for filament wound truncated conical and spherical shells of revolution and the effect of the winding pattern on the vibration characteristics of shells of revolution is investigated thoroughly.