Ce travail de thèse consiste à caractériser l’endommagement subi par une mèche de carbone au cours des procédés de transformation textile, et plus particulièrement au cours du tissage des préformes pour les matériaux composites. Un protocole de caractérisation mécanique sur mèche sèche, ainsi qu’une méthode non-destructive d’analyse d’images, ont été mis au point pour quantifier cet endommagement. / This aim of this work is to characterize the damage suffered by a carbon tow in textile processing methods, and more particularly during preforms weaving for composites materials. A mechanical characterization protocol on dry tow tensile test and a non-destructive method of image analysis, have been developed to quantify this damage.

Cette thèse fait l’objet du développement d’un modèle numérique de la phase d’imprégnation d’une préforme lors du procédé de fabrication d’un matériau composite par infusion sous vide de type VARI (Vacuum Assisted Resin Infusion). La caractérisation in situ du comportement mécanique dans l’épaisseur d’une préforme (essais d’infusion réels) est confrontée à sa caractérisation ex situ par une machine de traction/compression. L’effet de différents paramètres est mis en valeur sur le comportement de la préforme (type de chargement appliqué, état de saturation, influence de la viscosité du fluide et de la vitesse de déformation). Les essais ont révélé le caractère viscoélastique d’un renfort de type tissé lors de sa décompression à l’état imprégné et ont permis la définition d’une loi de comportement viscoélastique non-linéaire du renfort lors de cette phase. En vue d’étendre l’usage de cette loi de comportement mécanique à une large gamme de renforts, la même démarche expérimentale est appliquée au cas d’un renfort de type mat, au comportement élastique non-linéaire. La forme générale de la loi de comportement proposée se veut être adaptée à la description des deux types de renforts testés, où les éventuels effets viscoélastiques sont pris en compte selon le renfort étudié. Suite à l’implantation de la nouvelle loi de comportement dans un code numérique dédié à la simulation de la phase de remplissage d’un moule, la comparaison entre les résultats numériques et ceux des essais d’infusion sous vide prouve la fiabilité de ce nouveau modèle pour ces deux renforts à l’architecture bien distincte. / This thesis focuses on the development of a numerical model for the preform impregnation during the VARI (Vacuum Assisted Resin Infusion) process for the manufacturing of a composite material. The in situ characterization of the mechanical behavior in the thickness direction of a preform (real infusion tests) was compared with an ex situ characterization by a universal testing machine. The preform behavior was characterized for different parameters such as loading type, saturation state, influence of fluid viscosity and strain rate. All the tests revealed the viscoelastic behavior of a woven fabric during its decompression in the impregnated state, leading to the definition of a non-linear viscoelastic constitutive law of the woven fabric during this phase. To extend the use of this mechanical constitutive law to a wide range of fabrics, the same experimental approach was applied to the case of a random mat fabric with non-linear elastic behavior. The generalized form of the constitutive law is adapted to the description of the two types of fabrics while the potential viscoelastic effects are taken into account according to the fabric type. After the implementation of the new constitutive law in a numerical code for the simulation of a mold filling process, the comparison between numerical and experimental results has proved the reliability of the new numerical model for these two reinforcements with distinct architectures.

Les phosphates de calcium tels que le β-TCP sont utilisés depuis des décennies comme substitut osseux synthétique. Leurs bonnes propriétés chimiques et leur comportement analogue au tissu osseux in vivo et in vitro peuvent être améliorés par la technique de mise en forme employée. Il est aujourd'hui largement admis qu'une architecture poreuse optimisée aura un impact positif sur la bioactivité du matériau. Cette étude vise à étudier les liens existant entre une structure macroporeuse en β-TCP et la prolifération et différenciation cellulaire. Le β-TCP est fabriqué par précipitation aqueuse. Les paramètres de synthèse sont optimisés afin d'avoir un produit répondant aux normes ISO 13175 et 13779. Trois méthodes de mise en forme ont été choisies pour leur aptitude à générer une macroporosité originale. L'imprégnation d'une structure polymérique par une suspension génère un réseau de pores sphériques (PS), la stéréolithographie génère des pores cubiques interconnectés (3D) et la congélation orientée produit un réseau de pores tubulaires ellipsoïdaux parallèles au sens de la congélation (CO). Deux tendances émergent des cultures de cellules souches mésenchymateuses humaines: PS et 3D favorisent la prolifération alors que CO favorise la pénétration cellulaire et l'activité de la phosphatase alcaline. Cette dernière est favorisée par le β-TCP et cette aptitude est améliorée par la congélation orientée. Cela pourrait s'expliquer par l'état d'avancement de la différenciation cellulaire: les cellules sur les échantillons CO semblent être à un stade de différenciation plus avancé. Des essais complémentaires sur l'expression de gènes clés sont en cours pour vérifier cette hypothèse. / Calcium phosphates such as β-TCP have been used for decades as synthetic bone substitutes. Its good chemical properties and its similar behavior to that of the bone in vivo and in vitro can be enhanced by the chosen shaping method. It is nowadays largely accepted that an optimized porous architecture will have a positive impact on the material's bioactivity. This study aims at studying the links between a porous architecture and cell proliferation and differentiation. β-TCP was manufactured by aqueous precipitation. Synthesis parameters were optimized in order to get a product complying with ISO 13779 and 13175 requirements. Three shaping methods were chosen for their ability to generate original structures. The impregnation of a polymeric scaffold yields a network of interconnected spherical pores (PS), stereolithography yields a network of interconnected cubical pores (3D) and ice templating yields a network of parallel ellipsoidal channel-like structure (CO). Two different trends emerged from the human mesenchymal stem cell culture: PS and 3D favored cell proliferation whereas CO promoted cell penetration and alkaline phosphatase activity. The latter is stimulated by β-TCP and this ability is enhanced by freeze casting. This could be explained by the state of cell differentiation: cells on CO samples seem to be far more differentiated than the other ones. However the study of key genes expression is needed to confirm this hypothesis.

Une nouvelle approche appelée “Approche Pseudo Inverse” (API) est développée pour la modélisation du procédé de forgeage à froid des pièces axisymétriques. L'API est basée sur la connaissance de la forme de la pièce finale. Certaines configurations intermédiaires « réalistes » ont été introduites dans l'API pour considérer le chemin de déformations. Elles sont créées géométriquement sans traitement de contact et ensuite corrigées par la méthode de surface libre afin de respecter l'équilibre, les conditions aux limites et la condition d'incompressibilité. Un nouvel algorithme direct de plasticité est développé, conduisant à une méthode d'intégration plastique très rapide, précise et robuste même dans le cas de très grands incréments de déformations. Un modèle d'endommagement en déformation, est couplé à la plasticité et implémenté dans l'API. Les validations numériques montrent que l'API donne des résultats très proches des résultats de l'approche incrémentale mais en utilisant beaucoup moins de temps de calcul.L'API est adoptée comme solveur du forgeage pour la conception et l'optimisation des préformes du forgeage multi-passes. La rapidité et la robustesse de l'API rendent la procédure d'optimisation très performante. Une nouvelle technique est développée pour générer automatiquement le contour initial d'un outil de préforme pour la procédure d'optimisation. Les variables de conception sont les positions verticales des points de contrôle des courbes B-spline définissant les formes des outils de préforme. Notre optimisation multi-objectif consiste à minimiser la variation de la déformation plastique équivalente dans la pièce finale et la force du poinçon au cours du forgeage. Un algorithme génétique et un algorithme de recuit simulé sont utilisés pour trouver les points d'optimum de Pareto. Pour réduire le nombre de simulations de forgeage, un méta-modèle de substitution basé sur la méthode de krigeage est adopté pour établir une surface de réponse approximative. Les résultats obtenus par l'API en utilisant les outils de préforme optimaux issues de l'optimisation sont comparés à ceux obtenus par les approches incrémentales classiques pour montrer l'efficacité et les limites de l'API. La procédure d'optimisation combinée avec l'API peut être un outil numérique rapide et performant pour la conception et l'optimisation des outillages de préforme. / A new method called “Pseudo Inverse Approach” (PIA) is developed for the axi-symmetrical cold forging modelling. The PIA is based on the knowledge of the final part shape. Some « realistic » intermediate configurations are introduced in the PIA to consider the deformation path. They are created geometrically without contact treatment, and then corrected by using a free surface method in order to satisfy the equilibrium, the boundary conditions and the metal incompressibility. A new direct algorithm of plasticity is proposed, leading to a very fast, accurate and robust plastic integration method even in the case of very large strain increments. An isotropic damage model in deformation is coupled with the plasticity and implemented in the PIA. Numerical tests have shown that the Pseudo Inverse Approach gives very close results to those obtained by the incremental approach, but using much less calculation time.The PIA is adopted as forging solver for the design and optimization of preform tools in the multi-stage forging process. The rapidity and robustness of the PIA make the optimization procedure very powerful. A new method is developed to automatically generate the initial preform tool shape for the optimization procedure. The design variables are the vertical positions of the control points of B-spline curves describing the preform tool shape. Our multi-objective optimization is to minimize the equivalent plastic strain in the final part and the punch force during the forging process. The Genetic algorithm and Simulated Annealing algorithm are used to find optimal Pareto points. To reduce the number of forging simulations, a surrogate meta-model based on the kriging method is adopted to build an approximate response surface. The results obtained by the PIA using the optimal preform tools issued from the optimization procedure are compared to those obtained by using the classical incremental approaches to show the effectiveness and limitations of the PIA. The optimization procedure combined with the PIA can be a rapid and powerful tool for the design and optimization of the preform tools.