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Le besoin d'une très grande précision lors du traitement des matériaux par laser a fortement encouragé le développement des études de l'effet des impulsions ultra brèves pour la structuration des matériaux à une échelle micro et nano métrique. Une diffusion d'énergie minimale et une forte non linéarité de l'interaction permet un important confinement énergétique à des échelles les plus petites possibles. La possibilité d'introduire des changements de phases rapides et même de créer de nouveaux états de matière ayant des propriétés optimisées et des fonctions améliorées donne aux impulsions ultra brèves de sérieux arguments pour être utilisées dans des dispositifs très précis de transformation et de structuration des matériaux. L'étude de ces mécanismes de structuration et, en particulier, de leurs caractéristiques dynamiques, est une clé pour l'optimisation de l'interaction laser-matière suivant de nombreux critères utiles pour les procédés laser : efficacité, précision, qualité. Ce mémoire synthétise les travaux de l'auteur sur l'étude statique et dynamique du dépôt d'énergie ultra rapide, avec application aux procédés laser. La connaissance de la réponse dynamique des matériaux après irradiation laser ultra brève montre que les temps de relaxation pilotent l'interaction lumière-matière. Il est alors possible d'adapter l'énergie déposée à la réponse du matériau en utilisant les toutes récentes techniques de mise en forme spatio temporelle de faisceaux. Un couplage optimal de l'énergie donne la possibilité d'orienter la réponse du matériau vers un résultat recherché, offrant une grande flexibilité de contrôle des procédés et, sans doute, la première étape du développement de procédés « intelligents ».

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Integration einer Technologie zur Erzeugung zeitlich alternierender (gepulster) Gasströme auf dem Gebiet der Laserfügetechnik. Für die technische Realisierung implizierte dies spezifische Anpassungen der drei Systemkernelemente (Stelleinheit, Messstrecke, Regelung) bzw. eine vollständige Neukonzeption des Technologieaufbaus. Die somit dem Anwender zur Verfügung stehenden neuen Parameter ermöglichten eine positive Beeinflussung des Fügeprozesses bzw. der Schweißergebnisse. Über die zeitliche Steuerung des Gasvolumenstroms in Korrespondenz zum Laserstrahlschweißprozess gelang es, mit Schutzgaspulsen eine Krafteinwirkung auf die Schmelze hervorzurufen und dadurch eine Verbesserung in Hinblick auf die Einschweißcharakteristik von lasergeschweißten Nähten zu realisieren. / The present study focuses on the integration of a technology for generating temporally alternating (pulsed) gas flows in the field of laser welding. The technical realization required the specific adaptation of the three core elements of the system (valve, section of measurements, control system) or rather a completely new concept of the technological setup. The new parameters allow for a positive influence on the joining process and on the results of welding, respectively. By means of temporal control of the gas volume flow in combination with a laser welding process, it was possible to produce a force effect on the molten.

Hardware-in-the-loop (HiL) is a concept for testing physical equipment by connecting itto a mathematical representation (model) of the physical process. HiL-testing reduces thecost and saves time before testing the physical equipment (hardware) on the real (physical)process. The physical process chosen for this study is wire+arc additive manufacturing(WAAM), an advanced additive manufacturing (AM) technology that deposits metalbased material layer-by-layer. In this study, simulations of the robot path are carried outwhile the physical robot performs a physical process (additive manufacturing). In robotadditive manufacturing, the desired CAD model is currently sliced down into layers usingslicer software, and the layers are then translated into a path. The robot then moves alongthe path of these pre-defined layers to produce a three-dimensional structure. The heightof the produced structures and desired CAD models have deviations because of processinstabilities and temperature variations among other factors. The robot path should beupdated every time a layer is printed to compensate for the height differences. This isachieved by parametrizing the CAD model, i.e., the CAD model of the structure to beprinted is replaced by a mathematical equation (model). In this study, the mathematicalmodel is updated for each layer in real-time with feedback data from sensors that monitorthe additive manufacturing process. The concept of updating a mathematical model andexecuting it in real-time is called real-time simulation (RTS). In this study, a HiL-basedreal-time simulation setup has been developed, which predicts the required printing layerheight and the number of layers (based upon the latest feedback data from the monitoringsensors), and the required height of the structure. By combining hardware and software,a cyber-physical system has been created, enabling the transition from automation toautonomous robotics and contributing to Industry 4.0.