L'étude présentée dans ce mémoire traite du perçage orbital de l'alliage de titane Ti6Al4V et du composite à fibres de carbone CFRP sur des structures épaisses. Ce cas d'étude est extrait d'une problématique industrielle, provenant de la société Airbus qui souhaite intégrer à la structure primaire du mât de réacteur des pièces en CFRP afin de diminuer sa masse. Mais l'association de ces deux matériaux aux propriétés antagonistes pose de nombreux problèmes en matière de perçage. C'est la raison pour laquelle de nouvelles alternatives au perçage classique ont été recherchées. Parmi ces alternatives possibles, le perçage orbital avec micro-lubrification a montré des perspectives intéressantes. C'est pourquoi il a été choisi dans cette application industrielle. Mais ce procédé reste encore assez peu étudié et il existe donc peu de retours d'expériences et beaucoup de développements à réaliser. Le procédé de perçage orbital est très différent du perçage axial conventionnel. L'alésage est réalisé avec un outil de diamètre inférieur au trou, qui décrit une trajectoire hélicoïdale dans le matériau. L'ensemble des travaux présentés se focalisent sur la caractérisation en vue de l'optimisation du procédé de perçage orbital. Pour réaliser ceci, plusieurs aspects ont été abordés. Tout d'abord, une modélisation géométrique et cinématique de l'opération a été développée. La prise en compte de la géométrie exacte de l'outil et des conditions de coupe a permis de définir la géométrie du copeau à chaque instant. Cette connaissance est très importante pour la compréhension du mécanisme d'enlèvement de matière réalisé, elle permet d'estimer le chargement de l'outil et les conditions dans lesquelles s'effectue l'usinage. À partir de cette première modélisation géométrique, une modélisation des efforts de coupe a été mise en place. Pour cela, un modèle d'effort de type mécanistique a été utilisé. Son application a été adaptée au perçage orbital, afin de représenter au mieux l'opération. Les efforts ainsi modélisés ont été comparés à ceux observés expérimentalement afin de valider la modélisation proposée. Cela a permis d'envisager l'utilisation de cette modélisation pour une meilleure compréhension du processus d'enlèvement de matière présent. L'influence des entrées du modèle, à savoir les conditions de coupe et la géométrie de l'outil a été étudiée. L'autre apport de ces travaux réside dans la caractérisation du perçage orbital d'empilages CFRP/Ti6Al4V. En effet, de nombreux essais ont été mis en place pour caractériser le procédé de perçage orbital. Des procédures expérimentales ont donc été mises en place. Tout d'abord, le moyen d'essai instrumenté a dû être caractérisé afin qu'il corresponde au mieux aux moyens utilisés par l'industriel et surtout qu'il permette de réaliser des essais fiables et répétitifs. Les plans d'expériences mis en place par la suite ont permis de définir l'influence des paramètres de coupe sur les efforts et sur les diamètres réalisés. Dans cette phase de caractérisation, les défauts présents en perçage ont également été étudiés. Ainsi, des tendances ont pu être observées. Les résultats obtenus dans ces travaux dans ces travaux ont permis enfin d'envisager les voies d'optimisation du procédé, à travers le pilotage des avances, la stratégie de perçage, mais aussi la géométrie de l'outil. Des pistes ont été proposées et doivent faire l'objet d'études complémentaires. la modélisation mise en place et l'identification des phénomènes intervenant pendant l'opération ont d'ailleurs permis de poser les bases d'une surveillance du process. Celle-ci peut s'envisager de façon passive, pour contrôler le bon déroulement de l'opération, mais également de façon active pour agir en temps réel sur le pilotage du procédé, en fonction des phénomènes identifiés, afin de garantir la qualité souhaitée. / The study presented in this thesis deals with the orbital drilling of Ti6Al4V titanium alloy and CFRP carbon fiber composite. This case study is taken from an industrial problem, from the Airbus company wishing to incorporate parts CFRP to reduce its mass. But the combination of these two materials with antagonistic properties poses many problems for drilling. This is why new alternatives to conventional drilling have been sought. Among these alternatives, orbital drilling with micro-lubrication showed interesting prospects. That is why it was chosen in this industrial application. But this process is still relatively unexplored and there is little feedback and many developments to achieve. Orbital drilling process is very different from the conventional axial bore. The bore is machined with a smaller diameter tool than the hole, which describes a helical path in the material. All work presented focus on the characterization for the optimization of the orbital drilling process. To achieve this, several aspects were discussed. First, a geometric modeling and kinematics of operation has been developed. The inclusion of the exact geometry of the tool and cutting conditions helped to define the geometry of the chip at every moment. This knowledge is important for understanding the achieved material removal mechanism, it allows to estimate the loading of the tool and the conditions in which machining is performed. From this first geometric modeling, modeling of cutting forces was established. For this, a model of mechanistic type of effort was used. Its application was adapted to orbital drilling in order to best represent the operation. The thus modeled efforts were compared to those observed experimentally in order to validate the proposed model. This allowed to consider the use of this model for a better understanding of this material removal process. The influence of model inputs, namely the cutting conditions and tool geometry was studied. Another contribution of this work is the characterization of the orbital drilling of CFRP stacks / Ti6Al4V. Indeed, many tests were developed to characterize the orbital drilling process. Experimental procedures have therefore been put in place. First of all, the instrumented test means had to be characterized so that it better corresponds to the means used by the manufacturer and above all it allows to carry out reliable and repeatable testing. The experimental design implemented subsequently helped to define the influence of cutting parameters on the efforts and realized diameters. In this phase of characterization, the bore in errors have also been studied. Thus, the trends have been observed. The results obtained in this work in the meeting helped to consider the process optimization of routes, through the control of advances, the drilling strategy, but also the geometry of the tool. Tracks have been proposed and are subject to further study. modeling implementation and the identification of phenomena occurring during the operation have also laid the foundation for process monitoring. This can be considered passively, to monitor the smooth running of the operation, but also actively to act in real time to the control of the process, based on identified phenomena, to ensure the desired quality.

Cette étude porte sur l'intégration de l'aluminium et de matériaux composites de type Polymère Renforcé de Fibre de Verre (PRFV) dans les ponts transportables ferroviaires. Ces matériaux ont un intérêt particulier en raison de leur résistance aux conditions environnementales rudes et leur légèreté. Cependant, la combinaison de ces matériaux légers avec les matériaux traditionnels dont l'acier est peu fréquente dans les structures de génie civil. De plus les références de conception fournissent très peu d'informations pour le dimensionnement de ce type d'assemblage. Il existe néanmoins des références de conception des assemblages simplement en aluminium ou simplement en PRFV. Cependant, en comparaison avec l'acier, les recommandations proposées pour l'aluminium et les PRFV sont basées sur un nombre restreint d'essais et le dimensionnement optimal d'un assemblage boulonné entre des pièces d'acier et d'aluminium ou de PRFV peut s'avérer difficile. Aussi, l'objectif principal de la thèse est d'identifier les paramètres géométriques optimum des assemblages boulonnés aluminium-acier et PRFV-acier et d'effectuer une analyse critique des recommandations de conception existantes et si nécessaire les améliorer et enfin, d'évaluer la contribution de la colle dans les assemblages boulonnés/collés. Sur la base de l'état des connaissances disponibles, des études expérimentales et/ou numériques des assemblages boulonnés, collés, et boulonnés/collés des plaques aluminium-acier et PRFV-acier ont été menées. Pour les assemblages boulonnés, des configurations à un boulon et deux boulons ont été expérimentalement et analytiquement analysées. Les résultats obtenus ont permis d'évaluer l'effet des paramètres géométriques tels que l'épaisseur des plaques, les pinces longitudinale et transversale, et les pas longitudinal et transversal sur la résistance de l'assemblage. Par la suite, les paramètres géométriques optimums des assemblages boulonnés en PRFV-acier et aluminium-acier ont été identifiés et l'analyse critique des équations de dimensionnement des assemblages en aluminium et en PRFV recommandés dans les références de conception a été effectuée. Dans le cas des assemblages aluminium-acier, une amélioration des équations de résistance à la pression diamétrale et de résistance en traction et cisaillement combinés ont été proposées. Pour les assemblages en PRFV-acier, une étude semi-empirique a permis de proposer une équation de résistance en section nette adaptée aux PRFV pultrudés. Pour les assemblages collés et boulonnés/collés, seules les configurations à un boulon ont été testées. Des adhésifs méthacrylate et époxyde ont été utilisés et l'effet de ces derniers sur les assemblages multi-matériaux a été évalué. Il est apparu que le type d'adhésif a un effet important tant sur la résistance de l'assemblage que sur son mode de rupture. En outre la rigidité des plaques a un grand impact dans la capacité portante de l'assemblage collé. La contribution de la colle dans un assemblage boulonné a été trouvée avantageuse seulement dans le cas de l'assemblage PRFV-acier. Dans le cas de l'assemblages aluminium-acier, pas d'accroissement significatif n'a été observé.

La thématique de recherche proposée se présente comme une étude préliminaire en vue de minimiser le cout des opérations de perçage de multi-matériaux CFRP/Al et CFRP/Ti. Cette minimisation passe par la compréhension des mécanismes d'usure des outils de coupe ainsi que par la compréhension des phénomènes engendrant les différents défauts pouvant amener à la non-conformité de la pièce. Dans ce sens, des essais de perçages ont été mis en place. Leur instrumentation nous permet d'accéder aux efforts et aux températures générées lors de la coupe.En parallèle de cela, les moyens d'analyse mis en place permettent l'accès à la qualité des trous. L'identification de mécanisme d'usures subis par l'outil est réalisée à l'aide de visualisations au microscope électronique à balayage. L'usure du foret est aussi quantifiée par l'utilisation d'un microscope numérique pouvant mesurer le profil de l'arête de coupe de l'outil.Les champs de température au voisinage de l'interface outil/copeau influent de façon importante sur la durée de vie de l'outil. Difficile d'accès par l'expérimentation, ces champs de température sont toutefois accessibles par la simulation numérique des sollicitations thermiques appliquées à la pièce. Le modèle développé dans ce projet permet, par méthode inverse, de déterminer la température appliqué sur la paroi du trou à partir des mesures expérimentales réalisé à 4mm de celle-ci. Celui-ci à permis de visualiser l'étendu des zones affectées thermiquement et de confirmer les tendances observées expérimentalement

Les nouvelles avancées dans le domaine de la science des matériaux ont engendré l’apparition de nouvelles problématiques notamment concernant leurs perçages. Dans le cas des structures aéronautiques, l’opération de perçage des panneaux multi-matériaux CFRP/aluminium se situe juste avant l’assemblage final. Les pièces percées ont donc une forte valeur ajoutée. L’intérêt de pouvoir prédire le moment où la qualité du perçage s’approche des bornes des spécifications prend alors tout son sens. La mise en place d’un modèle expérimental multi-matériaux par les réseaux de neurones permet prédire la qualité du perçage réalisé pour une séquence d’empilement donnée. En utilisant une démarche similaire, un système de surveillance hors ligne du perçage multi-matériaux a été établi. Deux méthodes ont été développées : la méthode générale permettant de s’adapter à un grand nombre d’empilement et la méthode spécifique, plus précise, mais dont le domaine de validité se cantonne à une seul séquence. / New advances in the field of materials science have led to the emergence of new issues particularly concerning their holes. In the case of aeronautical structures, the drilling of multi-material panels CFRP / aluminum is just before final assembly. Pierced parts thus have a high added value. The interest can predict when the quality of the hole approaches the limits of the specifications takes a lot of sense. The establishment of an experimental model multi-materials by neural networks can predict the quality of the hole made for a given stacking sequence.Using a similar approach, a monitoring system offline drilling multi-materials has been established. Two methods have been developed: the general method to adapt to a large number of stacking and specific method, more accurate, but the range of validity is confined to a single sequence.

Les verres métalliques sont des matériaux amorphes, présentant d'excellentes propriétés mécaniques à température ambiante (haute limite d'élasticité, large domaine élastique, dureté élevée, etc.) combinées à une grande capacité de mise en forme au-delà de leur transition vitreuse. Leur domaine d'application est cependant limité par leur relative fragilité à température ambiante. Dans l'optique d'élargir le champ d'application des verres métalliques, l'élaboration par co-déformation à chaud de multi-matériaux alliant verre métallique et alliage léger traditionnel s'avère prometteuse. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la possibilité d'élaborer par co-pressage à chaud des stratifiés associant un verre métallique base-zirconium à un alliage de magnésium. L'étude des propriétés mécaniques des deux matériaux, et notamment de leur comportement à chaud, a permis de préciser les mécanismes de déformation associés et de sélectionner les conditions optimales de co-pressage. Une caractérisation structurale des matériaux avant et après mise en forme a été réalisée. Les interfaces verre métallique/alliage de magnésium ont été caractérisées, confirmant une bonne adhésion entre les deux matériaux et des essais mécaniques spécifiques ont été mis en œuvre pour quantifier la tenue mécanique en cisaillement des interfaces. Ces résultats ont permis de valider le procédé de co-pressage à chaud comme technique d'élaboration de multi-matériaux verre métallique / alliage léger.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la simulation numérique d'écoulements compressibles comportant des interfaces. Ces interfaces peuvent séparer un fluide et un solide rigide, deux fluides de lois d'état différentes ou encore un fluide et un solide élastique. Dans un premier temps, nous avons élaboré une méthode de type frontières immergées afin d'imposer une condition de glissement au bord d'un obstacle rigide de manière précise. Nous avons ensuite étudié et validé un schéma de type interface non diffuse pour les écoulements multi-matériaux en vue d'appliquer la méthode de frontières immergées aux solides déformables.

Le travail de thèse présenté est dédié à la mise en forme des pièces rechargées. L'idée initiale est d'inverser la gamme de fabrication " conventionnelle " consistant à recharger une pièce pré-ébauchée en faisant la mise en forme d'un " lopin " préalablement rechargé. Les avantages escomptés de cette gamme vient dans un premier temps de ce qu'on recharge une forme simple. Ceci devrait faciliter l'automatisation du rechargement et également le amélioration les structures métallurgiques de solidification issues du soudage. Les travaux concernent dans un premier temps la mise en place d'une méthodologie pour la maîtrise de l'opération de rechargement sur des formes simples pour mettre en place le lien entre le taux de dilution, l'énergie nominale de soudage et la qualité métallurgique des revêtements obtenus. Dans un deuxième temps, le travail s'est concentré sur l'étude du comportement en mise en forme des pièces rechargées. La difficulté provient du fait que le comportement du revêtement n'est pas connu. Deux essais de caractérisation ont été étudiés, le pliage à chaud et l'essai d'écrasement. Cette étude a consisté à estimer leur aptitude à évaluer la forgeabilité d'un multi matériaux concernant les trois échelles de forgeabilité: l'échelle du revêtement correspondant au comportement rhéologique du matériau du revêtement incluant sa limite de ductilité à chaud, l'échelle du revêtement incluant le revêtement et la partie proche du substrat et l'échelle de la pièce. Les simulations à partir de modèle analytique ou numérique par éléments finis ainsi que les essais expérimentaux ont permis d'évaluer la forgeabilité du bi-matériau. Les essais expérimentaux de forgeabilité devront également caractériser les transformations métallurgiques se produisant dans le revêtement et le substrat pour qualifier et quantifier le gain potentiel.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la simulation numérique d’écoulements compressibles comportant des interfaces. Ces interfaces peuvent séparer un fluide et un solide rigide, deux fluides de lois d’état différentes ou encore un fluide et un solide élastique. Dans un premier temps, nous avons élaboré une méthode de type frontières immergées afin d’imposer une condition de glissement au bord d’un obstacle rigide de manière précise. Nous avons ensuite étudié et validé un schéma de type interface non diffuse pour les écoulements multi-matériaux en vue d’appliquer la méthode de frontières immergées aux solides déformables. / We are interested in numerical simulation of compressible flows with interfaces. Theses interfaces can separatea fluid and a rigid solid, two fluids with differents constitutive law, or a fluid and an elastic solid. First, we havedevelopped an immersed boundary method to impose precisely a non penetration condition at the border of anobstacle. Then, a sharp interface method for compressible multimaterials have been studied and validated. Theimmersed boundary method of the first part is applied in this context.

La thématique de recherche proposée se présente comme une étude préliminaire en vue de minimiser le cout des opérations de perçage de multi-matériaux CFRP/Al et CFRP/Ti. Cette minimisation passe par la compréhension des mécanismes d'usure des outils de coupe ainsi que par la compréhension des phénomènes engendrant les différents défauts pouvant amener à la non-conformité de la pièce. Dans ce sens, des essais de perçages ont été mis en place. Leur instrumentation nous permet d'accéder aux efforts et aux températures générées lors de la coupe.En parallèle de cela, les moyens d'analyse mis en place permettent l'accès à la qualité des trous. L'identification de mécanisme d'usures subis par l'outil est réalisée à l'aide de visualisations au microscope électronique à balayage. L'usure du foret est aussi quantifiée par l'utilisation d'un microscope numérique pouvant mesurer le profil de l'arête de coupe de l'outil.Les champs de température au voisinage de l'interface outil/copeau influent de façon importante sur la durée de vie de l'outil. Difficile d'accès par l'expérimentation, ces champs de température sont toutefois accessibles par la simulation numérique des sollicitations thermiques appliquées à la pièce. Le modèle développé dans ce projet permet, par méthode inverse, de déterminer la température appliqué sur la paroi du trou à partir des mesures expérimentales réalisé à 4mm de celle-ci. Celui-ci à permis de visualiser l'étendu des zones affectées thermiquement et de confirmer les tendances observées expérimentalement / The proposed research topic is a preliminary study to minimize costs of drilling operation in multi-materials stacks as CFRP/Al and CFRP/Ti. In order to minimize these costs, it is initially necessary to understand the cutting tools wear mechanisms and the phenomenon leading to the non-conformity of the drilled hole. In this way, drilling tests were carried out. The instrumentation of this tests allow to access to the cutting forces and to the temperature achieved during the cutting process.In association, analyses devices were used to monitored the holes quality. The cutting tools wear mechanisms were observed through scanning electron microscope. The access of the cutting edge profile, by the measures achieved on a numerical microscope, allows quantifying the tool wear.The temperature fields near the tool/chip interface influence significantly the tool life. They are difficult to reach by experimentation, but can be obtained using numerical simulation of the workpiece thermal solicitations. The model developed allow, by inverse method, to reach the hole wall temperature using the temperature reach at 4mm of it. The temperature field was obtained and the tendencies observed experimentally were confirmed by this model.

Les verres métalliques sont des matériaux amorphes, présentant d'excellentes propriétés mécaniques à température ambiante (haute limite d'élasticité, large domaine élastique, dureté élevée, etc.) combinées à une grande capacité de mise en forme au-delà de leur transition vitreuse. Leur domaine d'application est cependant limité par leur relative fragilité à température ambiante. Dans l'optique d'élargir le champ d'application des verres métalliques, l'élaboration par co-déformation à chaud de multi-matériaux alliant verre métallique et alliage léger traditionnel s'avère prometteuse. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la possibilité d'élaborer par co-pressage à chaud des stratifiés associant un verre métallique base-zirconium à un alliage de magnésium. L'étude des propriétés mécaniques des deux matériaux, et notamment de leur comportement à chaud, a permis de préciser les mécanismes de déformation associés et de sélectionner les conditions optimales de co-pressage. Une caractérisation structurale des matériaux avant et après mise en forme a été réalisée. Les interfaces verre métallique/alliage de magnésium ont été caractérisées, confirmant une bonne adhésion entre les deux matériaux et des essais mécaniques spécifiques ont été mis en œuvre pour quantifier la tenue mécanique en cisaillement des interfaces. Ces résultats ont permis de valider le procédé de co-pressage à chaud comme technique d'élaboration de multi-matériaux verre métallique / alliage léger. / Metallic glasses are amorphous materials displaying very interesting mechanical properties at room temperature (high fracture stresses, large elastic domain, etc.) together with an excellent formability above the glass transition temperature. However the use of these materials is limited by their lack of plasticity at room temperature. In order to extend their applications field, it could be of interest to associate metallic glasses with conventional light alloys. In this work, the feasibility of the elaboration of multilayered materials involving a Zr-based metallic glass and a magnesium alloy by co-pressing at high temperature has been investigated. The selected conditions for co-pressing were chosen from the knowledge of the rheological behavior of both the metallic glass and the light alloy. The structural characterization of the materials before and after the elaboration has been studied. The interfaces metallic glass/magnesium alloy has been characterized, revealing a good bonding between the two materials. In order to evaluate the mechanical strength of the bonding, specific tests have been developed. The results enabled us to valid the co-pressing process as a technique to elaborate multimaterials associating metallic glasses with light alloys.