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Utilisation de l’acide performique en traitement des eaux résiduaires urbaines : Réactivité avec les micropolluants organiques et stratégies d’intégration au sein de procédés d’oxydation avancée
No full textThis thesis is part of phase 5 of the "OPUR: Urban Pollutants Observatory" program and aims to enhance the understanding and elimination of pharmaceuticals (pharmaceutical residues) in the context of urban wastewater treatment processes. The presence of pharmaceuticals in urban wastewater is primarily attributed to widespread drug use in urban areas, particularly through human excretion. The insufficient removal of these pharmaceuticals by wastewater treatment plants is the main cause of their presence in aquatic environments.To mitigate the risks associated with these micropollutants for aquatic flora and fauna, the addition of an advanced (tertiary) treatment to conventional wastewater treatment plants is one of the possible solutions. This approach would result in the reduction of the concentration of these emerging micropollutants in wastewater plant effluents.The significance of this study lies in the use of performic acid, a disinfectant employed to improve the quality of effluent discharged in the Seine River by the wastewater treatment plants in preparation for the 2024 Olympic and Paralympic Games to be held in Paris. Thus, this study aims to optimize the conditions for using this disinfectant, either individually or in conjunction with other oxidants in tertiary (advanced) oxidation processes, for the removal of pharmaceuticals.Various experiments, initially conducted using deionized water, revealed the pronounced yet selective reactivity of performic acid towards organic compounds containing reduced sulfur or deprotonated tertiary amines, with the primary oxidation mechanism involving the transfer of an oxygen atom.In urban wastewater, performic acid exhibits relatively high reactivity with the pharmaceuticals under investigation, and their removal is significantly influenced by the diverse constituents present in the effluent. Some of these constituents could activate performic acid, thereby generating reactive species that can effectively reduce a greater number of pharmaceuticals. Furthermore, the results demonstrate the efficacy of performic acid in eliminating polar organic micropollutants, a task often challenging for conventional treatment processes. The combination of performic acid with UV-C photolysis or ozone significantly improved the removal of pharmaceuticals resistant to performic acid alone.Cette thèse s'inscrit dans la phase 5 du programme « OPUR : Observatoire des Polluants Urbains » et a pour objectif d'améliorer la compréhension et l’élimination des micropolluants pharmaceutiques (résidus de médicaments) le long des filières de traitement des eaux résiduaires urbaines. La présence de micropolluants pharmaceutiques dans les eaux résiduaires urbaines est principalement due à la consommation répandue de médicaments dans les zones urbaines, en particulier par le biais de l'excrétion humaine. L’élimination insuffisante de ces micropolluants pharmaceutiques par les stations d'épuration est la principale raison de leur présence dans les milieux aquatiques. Afin de réduire les risques liés à la présence de ces micropolluants pour la faune et la flore aquatiques, l'ajout d'un traitement tertiaire (avancé) aux stations d'épuration conventionnelles est l'une des solutions possibles et permettrait de diminuer la concentration de ces polluants émergents dans le rejet des stations d’épuration. L'importance de cette étude réside dans l'utilisation de l'acide performique, un désinfectant employé pour améliorer la qualité des effluents rejetés par les stations d'épuration dans la Seine en préparation des Jeux olympiques et paralympiques de 2024 qui se tiendront à Paris. Ainsi, cette étude vise à optimiser les conditions d'utilisation de ce désinfectant, que ce soit en utilisation individuelle ou en couplage avec d’autres oxydants sous forme de procédé d’oxydation avancée, en vue de l'élimination des micropolluants pharmaceutiques. Les diverses expérimentations menées, d'abord en utilisant de l'eau ultrapure, ont révélé la réactivité marquée mais sélective de l'acide performique envers les composés organiques contenant du soufre réduit ou les amines tertiaires déprotonées, le mécanisme d’oxydation principal étant le transfert d'un atome d'oxygène. Dans les eaux résiduaires urbaines, l'acide performique est relativement réactif avec les micropolluants pharmaceutiques étudiés et leur élimination dépend fortement des différents constituants présents dans les effluents, certains pouvant activer l'acide performique et engendrer des espèces réactives capables de réduire un nombre plus important de micropolluants pharmaceutiques. Les résultats ont également montré que l’acide performique est efficace pour éliminer les micropolluants organiques polaires souvent moins bien éliminés par les procédés classiques. Le couplage de l'acide performique avec la photolyse UV-C ou l'ozone a significativement amélioré l'élimination des micropolluants pharmaceutiques résistants à l'acide performique
Comportements rhéologiques dépendants du temps dans les verres colloïdaux de particules déformables
No full textTime-dependent rheology of soft particle glassesSoft particle glasses are jammed suspensions of soft and deformable particles dispersed in a viscous fluid. Common examples include pasty materials such as solid inks, personal care products, and foods. They behave as yield stress fluids, which respond elastically to small perturbations, but deform irreversibly and flow when they are subjected to large enough stresses. Many experimental and theoretical studies have focused on the steady shear rheology of these materials. However much less is known about their behavior in transient situations like flow cessation or startup flow.Here we investigate the time-dependent rheology of jammed suspensions made of well-characterized polyelectrolyte microgels. Upon flow cessation, these materials store residual stresses that relax very slowly and are responsible for long-lived directional memory and aging. We design several experimental protocols that minimize residual stresses and memory making it possible to perform startup experiments without directional bias. The behavior of the stress growth function is then analyzed and discussed using systematic experiments, simulations, and a phenomenological model for microgels with both repulsive interactions and short-range associations. A final chapter is devoted to the high-frequency linear viscoelasticity of the suspensions. Overall, our results demonstrate the key role played by the competition between elastic contact forces and viscous forces, thus providing a unifying framework to rationalize the time-dependent rheology of soft particle glasses.Comportement rhéologique dépendant du temps dans les verres colloïdaux de particules déformablesNous étudions des verres colloïdaux constitués de suspensions denses de particules déformables dans un fluide suspendant. Des exemples pratiques comprennent beaucoup de matériaux pâteux tels que les encres solides, les produits de soins personnels et certaines préparations alimentaires. Ces matériaux se comportent comme des fluides à seuil d’écoulement qui répondent de façon élastique à des petites déformations mais s’écoulent au-delà d’une contrainte seuil. Beaucoup de travaux expérimentaux et théoriques ont étudié leurs propriétés rhéologiques à l’état stationnaire. Les connaissances sur la réponse transitoire lors de la mise en écoulement ou au contraire lors de l’arrêt sont beaucoup moins avancées.Nous abordons ce problème dans le cas de suspensions très concentrées de microgels polyélectrolytes dont la microstructure est bien caractérisée. Sous écoulement ces verres colloïdaux accumulent des contraintes internes d’origine élastique qui relaxent très lentement de sorte qu’ils conservent au repos la mémoire de la direction dans laquelle ils ont été cisaillés. Nous proposons plusieurs protocoles de préparation qui minimisent l’effet de ces contraintes résiduelles et permettent de réaliser des expériences dénuées de biais directionnels. Les contraintes transitoires associées à la mise en écoulement sont analysées à l’aide d’expériences systématiques, de simulations, et d’un modèle phénoménologique, à la fois pour des microgels répulsifs et associatifs. Un dernier chapitre est consacré aux propriétés viscoélastiques à haute fréquence des suspensions. Nos résultats démontrent le rôle clé de la compétition entre l’élasticité due aux interactions de contact et les forces de viscosité dans le fluide suspendant. Ceci nous permet de proposer un cadre conceptuel qui rationalise les comportements dépendants du temps des verres colloïdaux de particules déformables
Évolutions des précipités de phase γ' au cours des opérations de forgeage de l'alliage René 65
No full textNi-based superalloys are high-performance metallic materials possessing excellent mechanical properties at high temperatures. They are widely used in the aerospace industry, both in wrought and cast states, in the hottest and most highly stressed parts of jet engines. In order to increase the operating temperature of engines and thus reduce fuel consumption and greenhouse gas emissions, the polycrystalline Ni-based superalloy René 65 has been chosen for the manufacturing of certain turbine disks in new generation jet engines.A non-negligible effect of the heating rate on the γ' phase evolutions was observed for temperatures closer to the γ' solvus temperature (T > 1010 °C) for the Rene 65 alloy. A phenomenological model describing the evolution of the of primary γ' precipitates fraction as a function of time and temperature was established for René 65 and AD730™ alloys. This relationship provides a better estimation of the grain size and γ' precipitates evolutions during γ' sub-solvus isothermal treatments. The dynamic precipitation phenomenon was observed for γ-γ' superalloys. Two types of dynamic γ' precipitates (i.e. developed during hot deformation) have been characterized. Dynamic precipitation seems to be favored at high temperatures, low strain rates and high strain levels up to a certain limit, defined as 1.0 for the René 65 alloy under the investigated conditions. In the post-dynamic regime, the evolution of the two types of dynamic γ' precipitates occurs distinctly from each other. A bimodal distribution of γ' precipitates was observed immediately after subsolvus solution treatment. A scenario was proposed to explain the origin of the γ' precipitation state, considering the thermomechanical history of the René 65 alloy.Les superalliages à base de Ni sont des matériaux métalliques à hautes performances qui présentent d'excellentes propriétés mécaniques à haute température. Ils sont largement utilisés par le secteur aéronautique, tant à l'état forgé qu'à l'état coulé, dans les parties des turboréacteurs les plus chaudes et soumises à de fortes contraintes. Afin d'élever la température de fonctionnement des moteurs et ainsi de réduire la consommation de carburant et les émissions de gaz à effet de serre, le superalliage base Ni polycristallin René 65 a été choisi pour la fabrication de certains disques de turbine des turboréacteurs de nouvelle génération.Un effet non négligeable de la vitesse de chauffage sur les évolutions de la phase γ' a été observé pour des températures proches de la température de solvus γ' (T > 1010 °C) pour l'alliage René 65. Un modèle phénoménologique qui décrit l'évolution de la fraction de précipités γ' primaires en fonction du temps et de la température a été établie pour les alliages René 65 et AD730™. Cette relation permet une meilleure estimation de la taille de grains et de l'évolution des précipités γ' lors de traitements sub-solvus en isotherme. Le phénomène de précipitation dynamique a été observé pour les superalliages γ-γ'. Deux types de précipités dynamiques (i.e. formés lors de la déformation à chaud) ont été caractérisés. La précipitation dynamique semble être favorisée à hautes températures, à faibles vitesses de déformation et à hauts niveaux de déformation jusqu'à un certaine limite, définie à 1,0 pour l'alliage René 65 dans les conditions investiguées. En régime post-dynamique, l'évolution des deux types de précipités γ' dynamiques se produit de manière distincte les uns des autres. Une distribution bimodale de précipités γ' a été observée juste après le traitement de mise en solution. Un scenario a été proposé afin d'expliquer l'origine de l'état de précipitation γ', en prenant en compte l'histoire thermomécanique de l'alliage René 65
Intégration de la capture, utilisation et stockage du carbone dans les modèles socio-technico-économiques : optimisation long terme du système énergétique mondial et décarbonation de l'industrie
No full textAs the signs of climate change become increasingly tangible around the world, strategies for decarbonizing our societies are taking center stage. From a technological standpoint, we investigate the role and potential of CO2 capture, storage and utilization (CCUS) as a lever for reducing or even eliminating our net emissions. To do this, we employ two models, TIAM-FR – developed by Mines Paris PSL – and EPPA – developed by the Massachusetts Institute of Technology (MIT) – as tools to explore the future and the place of CCUS in the decarbonization of our societies. Through the results generated by these models and our literature review, we show that CCUS is essential to achieving the target set by the Paris Agreement, notably as a technology for producing negative emissions, enabling to offset emissions from so-called "hard-to-abate" sectors like industry and other economic sectors.Alors que les signes du changement climatique se montrent de plus en plus tangibles partout dans le monde, les stratégies de décarbonation et d’adaptation de nos sociétés s’invitent dans les débats. Sur le plan technologique, nous étudions ici le rôle et le potentiel de la capture et stockage et utilisation du CO2 (CSUC) comme un levier pour réduire voire éliminer nos émissions nettes. Pour ce faire nous utilisons deux modèles prospectifs, TIAM-FR – développé par Mines Paris PSL – et EPPA – développé par le Massachusetts Institute of Technology (MIT) – comme outils pour explorer le futur et la place de la CSUC dans la décarbonation de nos sociétés. Au travers des résultats rendus par ces modèles et de notre revue de littérature, nous montrons que la CSUC est essentielle pour atteindre l’objectif fixé par l’Accord de Paris, notamment en tant que technologie pour produire des émissions négatives, permettant de compenser les émissions dites « difficiles à abattre » dans l’industrie et d’autres secteurs économiques
Heat transfer and airflow in an insulated box with phase change material for food transport : experimental and modelling approaches
No full textInsulated boxes equipped with a Phase Change Material (PCM) play an important role in food transport due to low cost and flexibility. However, temperature control during the transport is complex due to the variation of operating conditions, which may lead to product degradation. An empirical approach is mainly used in practice to choose the box and PCM for some specific conditions. Thus, physical-based models allowing the prediction of food temperature evolution under wide ranges of transport conditions are necessary. The development of such models requires the understanding of heat transfer and airflow.Regarding literature study, several works considered only heat conduction in the air inside the box, some recent works took natural convection into account. According to our knowledge, no study included radiation between product and wall/PCM surface. Many fundamental studies concern all heat transfer modes in empty cavities. They often imposed two different wall temperatures while the other walls were adiabatic. Some works included a small solid object or porous media. These works could not be applied to food transport in an insulated box with PCM.This Ph.D. thesis aimed to develop an experimental and numerical methodologies to study heat transfer and airflow in this equipment.First, two types of measurements were undertaken: temperature by thermocouples and air velocity by Particle Image Velocimetry. In these studies, the 45-L insulated boxes had a heat transmission coefficient of 0.9 W‧m-2‧K-1, PCM was ice (melting point ~ 0°C, 3.5 kg) and the test product was Tylose (16 kg) whose thermo-physical properties are close to ones of meat. The influence of several parameters was studied: i) loading conditions (empty, loaded with extruded polystyrene and loaded with test product), ii) PCM position (on a side wall and at the top), iii) aspect ratio of box (height/length ≈ 1 and 1.7), iv) ambient temperature (10°C to 30°C), v) initial test product temperature (4°C and 10°C) and vi) spacing beneath the test product (no space and 20 mm). The results showed the importance of natural convection in the box. PCM should be placed at the top of a box of low aspect ratio. Loading the product with high temperature should be avoided. The required amount of PCM can be estimated in function of ambient temperature.Second, three numerical models were developed: a) lumped model predicts average product temperature but cannot identify the warmest/coldest positions, b) zonal model takes heat transfer and airflow into account, it differentiates the warmer and colder regions and c) CFD model describes in-depth temperature and air velocity fields, but high computing resources are inevitable. These models were validated by comparison with the experimental results and showed good agreement. Finally, this thesis demonstrates how to use these models to answer several practical questions such as the effect of box design and operating conditions.Les caissons isothermes équipées d'un matériau à changement de phase (PCM Phase Change Material) jouent un rôle important dans le transport des aliments en raison de leur faible coût et de leur flexibilité. Cependant, le maintien d'une température adéquate est complexe en raison de la variabilité des conditions de fonctionnement, ce qui peut entraîner une dégradation du produit. Une approche empirique est principalement utilisée dans la pratique pour choisir le caisson et le PCM pour des conditions spécifiques. Ainsi, des modèles physiques permettant de prédire l'évolution de la température des aliments pour de larges gammes de conditions de transport sont nécessaires. Le développement de tels modèles nécessite la compréhension des transferts de chaleur et des écoulements d'air.En ce qui concerne l'étude bibliographique, plusieurs travaux ont considéré uniquement la conduction thermique dans l'air à l'intérieur de la caisse, certains travaux récents ont pris en compte la convection naturelle. A notre connaissance, aucune étude n'a inclus le rayonnement entre le produit et les surfaces de paroi et de PCM. De nombreuses études fondamentales concernent tous les modes de transfert de chaleur dans des cavités vides, elles imposent souvent deux températures de paroi différentes tandis que les autres parois sont adiabatiques. Certaines incluent la présence d'un objet solide ou d'un milieu poreux. Ces travaux ne peuvent pas être appliqués au transport alimentaire en caisson isotherme avec PCM.Ainsi, ce travail de doctorat vise à développer des méthodologies expérimentale et numérique pour étudier les transferts de chaleur et les écoulements d'air dans cet équipement.Dans un premier temps, deux types de mesures ont été entreprises : la température par thermocouples et la vitesse d'air par vélocimétrie par images de particules. Dans ces études, les caissons isothermes (45 litres) avaient un coefficient de transmission thermique de 0,9 W‧m-2‧K-1, le PCM était de la glace (point de fusion ~ 0°C, 3,5 kg) et le produit test était de la Tylose (16 kg) dont les propriétés thermo-physiques sont proches de celles de la viande. Les paramètres étudiés étaient : i) conditions de chargement (vide, chargé de polystyrène extrudé et chargé de produit test), ii) position du PCM (sur une paroi latérale et en haut), iii) forme géométrique de la boîte (hauteur/longueur ≈ 1 et 1,7), iv) température ambiante (10°C à 30°C), v) température initiale du produit (4°C et 10°C) et vi) espacement sous le produit (pas d'espace et 20 mm). Les résultats ont montré l'importance de la convection naturelle dans le caisson. Le PCM doit être placé en haut d'un caisson de faible rapport d'aspect (hauteur/longueur). Il faut éviter de charger des produits chauds. La quantité requise de PCM peut être estimée en fonction de la température ambiante.Dans un second temps, trois modèles numériques ont été développés: a) le modèle global prédit la température moyenne du produit mais ne peut pas identifier les positions les plus chaudes/froides, b) le modèle zonal prend en compte les différents transferts de chaleur et l'écoulement d'air, il différencie les régions les plus chaudes et les plus froides et c) le modèle CFD décrit en détail les champs de température et de vitesse d'air, mais a recours à des ressources de calcul importantes. Ces modèles ont été validé en comparant avec les données expérimentales et ont montré un bon accord. Enfin, cette thèse montre comment utiliser ces modèles pour répondre à plusieurs questions pratiques telles que l'effet de la conception des caissons et des conditions de fonctionnement
Assainir la ville sans contaminer l’environnement : tout-à-l’égout et séparation à la source face au risque sanitaire lié aux matières fécales
No full textAlthough flush toilets and sewerage are usually considered the height of comfort in 21st-century urban societies and the technical and sanitary culmination of human excreta management, they are increasingly being challenged for their environmental footprint and financial cost. Alternative management methods, broadly termed "source separation", are being developed to address these issues. However, the widely shared belief in the absolute superiority of sewerage for public health is hindering the development of such systems. In this paper, we briefly re-examine the contribution to public health of sewerage as a means of managing human feces, in both its historical development and current implementation. We suggest that management of feces by sewerage is just one element among others in a systemic change, that it usually occurred much later than the others, and that the epidemiological transition usually attributed to sewerage only was, as a matter of fact, strongly supported by associated improvements in drinking water, health care, hygiene practices and good nutrition. We show that risk control in sewered cities is not based on a barrier between human feces and the environment (what we might call sanitation), but on barriers between a contaminated environment and the different uses of water. We call for a more comprehensive analysis of the effects of sewerage on public health, in present times and historically, not only at the scale of a city but at the broader scale of all impacted communities. We also call for a comparison of these effects with those of other sanitation systems that have much lower environmental footprint.Bien que les toilettes à chasse d'eau et les égouts soient généralement considérés comme le summum du confort dans les sociétés urbaines du XXIe siècle et comme l'aboutissement technique et sanitaire de la gestion des excréments humains, ils sont de plus en plus contestés en raison de leur empreinte environnementale et de leur coût financier. Des méthodes de gestion alternatives, généralement appelées "séparation à la source", sont en cours de développement pour répondre à ces questions. Cependant, la croyance largement partagée en la supériorité absolue des égouts pour la santé publique entrave le développement de ces systèmes. Dans cet article, nous réexaminons brièvement la contribution des égouts à la santé publique en tant que moyen de gestion des matières fécales humaines, tant dans son développement historique que dans sa mise en œuvre actuelle. Nous suggérons que la gestion des matières fécales par les égouts n'est qu'un élément parmi d'autres d'un changement systémique, qu'il s'est généralement produit beaucoup plus tard que les autres, et que la transition épidémiologique généralement attribuée aux seuls égouts a, en fait, été fortement soutenue par les améliorations associées en matière d'eau potable, de soins de santé, de pratiques d'hygiène et de bonne nutrition. Nous montrons que le contrôle des risques dans les villes dotées d'égouts ne repose pas sur une barrière entre les excréments humains et l'environnement (ce que nous pourrions appeler l'assainissement), mais sur des barrières entre un environnement contaminé et les différents usages de l'eau. Nous appelons à une analyse plus complète des effets des égouts sur la santé publique, à l'heure actuelle et dans le passé, non seulement à l'échelle d'une ville, mais aussi à l'échelle plus large de toutes les communautés touchées. Nous demandons également une comparaison de ces effets avec ceux d'autres systèmes d'assainissement dont l'empreinte environnementale est beaucoup plus faible
Modélisation des Performances de Fiabilité pour les Systèmes de Fabrication Reconfigurables
No full textThe assessment of reconfigurable manufacturing system reliability is critical due to the complexity of the system and the potential consequences of failures in critical applications. During re-configurations, the quantity of interactions and interfaces can be substantial, the configuration orders and the causalities between configurations can have non-negligible effects on the reliability of the system. Therefore, the main research in this thesis is how the decisions made for reconfigurable manufacturing system impact the different aspects of reliability performance throughout the entire processing procedure, despite the increasing complexity of these systems. A proposed framework for reliability performance analysis for reconfigurable manufacturing system helps to verify whether the interactions and interfaces have impact on the reliability performance of an RMS, through analyzing the system, evaluating potential impacts, and assessing their significance. In the framework, models based on Markov chain managed to present the configuration orders and causalities between configurations. Two probabilistic models to describe the reliability performance include one based on the Exponential distribution and the other based on the Weibull distribution. For the Exponential distribution based model, results have proved that configuration orders have no impact on reliability. While for the Weibull distribution based model, the impact is significant. Besides, a model based on optimistic or pessimistic evaluation can set limits and measure the significance of the impact based on various situations. In the end, Monte Carlo simulation, sensitivity analysis and usage examples validate and verify the framework proposed.Les systèmes de production reconfigurables (RMS) deviennent de plus en plus complexes, pour répondre à une production variée de produits et l’analyse de leur performances et fiabilité demeure un enjeu crucial. Lors des reconfigurations, les différents changements et interactions entre les composants du système deviennent importantes et les ainsi les ordres de configurations peuvent avoir un impact non négligeable sur le comportement et la fiabilité des RMS. Ainsi, ces travaux de thèse portent sur l’analyse comment les reconfigurations et les différentes décisions faites sur ce type de système peuvent impacter ses performances de fiabilité en considérant leurs ordres d’importance. Un cadre méthodologique est proposé pour la modélisation et l’évaluation de la fiabilité des RMS. Dans ce cadre, les modèles basés sur la chaîne de Markov ont permis de représente les ordres de configuration et les causalités entre les configurations. Dans un premier temps, deux modèles probabilistes, un basé sur la distribution exponentielle et l'autre sur la distribution de Weibull, sont proposés et implémentés pour estimer et évaluer la fiabilité des RMS. Les résultats d’analyse basée sur le modèle dépendant de la distribution exponentielle, ont mis en exergue que les ordres de configuration n'ont pas d'impact sur la fiabilité. En revanche, pour le modèle basé sur la distribution de Weibull, l'impact s’avère significatif. Ensuite, un modèle basé sur une évaluation optimiste ou pessimiste est développé afin mesurer l'importance de l'impact en fonction de diverses situations. Des applications sur des exemples de systèmes à travers de la simulation Monte Carlo et l’analyse de sensibilité, sont réalisées enfin afin de valider les modèles proposés
Concept de montage intelligent pour la maitrise de la distorsion des pièces en usinage
No full textAfter unclamping of machined thin part undesirable deformations are often observed. These distortions are caused by the release and redistribution of the initial residual stresses during machining and during unclamping. Manufacturing processes applied before machining, such as rolling and heat treatment generate these initial stresses. An approach based on numerical modeling is considered in this work to anticipate and minimize these distortions and thus save time and money. This approach is based on in-situ measurements of 7075-T6 aluminum alloy parts. It introduces a meta-model that consists in building a base of residual stress profiles from a design of experiments based on the uncertainties and sensitivities applied on the simulation of the heat treatment applied on the part before machining. Then, a singular value decomposition (SVD) has been used to represent the new combination of residual stresses. This combination is updated after each machining step using optimization based on real distortion measurements. This meta-model is used to predict the exact distortion of the part after unclamping thanks to an observation of the distortions of the part during its machining. Using this prediction of the distortions, it is then possible to correct the tool trajectory during the last machining path using an instrumented clamping system to improve the final shape of the part after unclamping.Pour des pièces minces, dont la forme finale est obtenue par usinage, il est fréquent d’observer, après débridage, des déformations non compatibles avec l’usage à venir de ces pièces. Ces déformations sont provoquées par le relâchement et la redistribution de contraintes initiales durant l’usinage et durant le débridage. Ces contraintes initiales sont générées par des procédés de fabrication appliqués avant l'usinage, tels que le laminage et le traitement thermique. Une approche basée sur la modélisation numérique est envisagée dans ce travail pour anticiper et minimiser ces déformations et ainsi économiser du temps et de l’argent. L’approche utilise des mesures in-situ sur des pièces en alliage d'aluminium 7075-T6. Elle s’appuie notamment sur un méta-modèle utilisant une base de profils de contraintes résiduelles déduit d'un plan d'expériences basé sur les incertitudes et les sensibilités des données de simulation du traitement thermique appliqué, avant usinage, à la pièce. Ensuite, une décomposition en valeur singulière (SVD) est utilisée pour représenter la nouvelle combinaison de contraintes résiduelles. Cette combinaison est mise à jour après chaque étape d’usinage à l'aide d'une optimisation basée sur des mesures de distorsion réelles. Ce méta-modèle est ainsi utilisé pour tenter de prédire la déformation exacte de la pièce après débridage grâce à une observation des déformations de la pièce en cours d’usinage. Cette prédiction des déformations, permet de corriger la trajectoire de l'outil lors de la dernière passe d'usinage à l'aide d'un montage instrumenté pour améliorer la forme finale de la pièce après débridage
Microstructure et comportement à l'usure d'un nouvel alliage à base d'Al-Cu-Mg à haute résistance fabriqué par fusion sur lit de poudre laser.
No full textLaser powder bed fusion (LPBF) of metal materials combines the characteristics of "direct manufacturing of complex structures" and "preparation of high-performance materials", which has become an effective way to manufacture high-performance aluminum alloy components with complex geometry. However, traditional high-strength aluminum alloys exhibit high hot-cracking susceptibility during LPBF. In addition, as commonly used construction materials, aluminum alloys often suffer from friction and wear conditions. In the present work, a novel Si- and Ti-modified Al-Cu-Mg alloy was designed for LPBF to overcome severe hot cracking and enhance the tensile properties and wear resistance of Al-Cu-Mg alloys manufactured by LPBF.After introducing 2.04 wt. % Si, the threshold laser scanning speed for eliminating hot cracks increases to 400 mm/s. The trapping behavior of Cu in the α-Al matrix and segregation of Mg into interdendritic regions occur in the solidification process. The addition of Si refines the columnar grains by increasing the value of growth restriction factor (Q) and promotes the formation of the Mg2Si phase, both of which are conducive to improving the hot-cracking resistance.With the continuous introduction of 0.6 wt.% Ti, the critical laser scanning speed for eliminating hot cracks is further increased to 800 mm/s. The microstructure of the Al-Cu-Mg-Si-Ti alloy consists of ultrafine equiaxed grains (UFGs) and coarse columnar grains (CGs). Pre-precipitated D022-Al3Ti particles were found to act as nuclei to refine the grains at the molten pool boundary. Dual-nanoprecipitation of the Q’ and S’ phases was introduced to enhance the mechanical performance of the α-Al matrix. The as-built sample exhibits superior mechanical properties, with a YS of 473 ± 8 MPa, ultimate tensile strength (UTS) of 541 ± 2 MPa and EI of 10.9 ± 1.2 %.Compared to the LPBF processed Al-Cu-Mg-Si alloy, the addition of Ti decreases the wear rate from 2.5×10-4cm3/m to 1.26×10-4cm3/m for an applied load of 10 N. The refined heterogeneous microstructure helps to achieve strength-ductility synergy of the Al-Cu-Mg-Si-Ti alloy, which provides better resistance to indentation behavior and initiation of cracks. The wear mechanism of the Al-Cu-Mg-Si alloy under an applied load of 10 N is abrasive and delamination wear, which for the Al-Cu-Mg-Si-Ti alloy is abrasive with slight delamination wear.To further explore the potential mechanical properties of Al-Cu-Mg alloy, 3 wt. % TiB2 reinforced Al-Cu-Mg matrix composite were fabricated by LPBF. In general, LPBF-processed TiB2p/Al-Cu-Mg composite presents refined columnar grains with the average width of 6.5 μm. However, the gradient microstructure and mechanical properties were also observed along the height direction. TiB2 particles disperse uniformly at the top of the deposit, while they are aggregated in the molten pool boundaries at the bottom of the sample. The texture intensity shows an upward trend with decreasing the deposit height. The YS increases from 230.03 MPa at the bottom to 244.17MPa at the top of the samples due to the high content of plate-like θ strengthening phase.La fusion de poudre laser (Laser Power Bed Fusion) de matériaux métalliques permet de combiner les caractéristiques de "fabrication directe de structures complexes" et de "préparation de matériaux haute performance". Ce procédé est un moyen efficace de fabriquer des composants en alliage d'aluminium haute performance avec une géométrie complexe.Cependant, les alliages d'aluminium à haute résistance traditionnels présentent une forte susceptibilité à la fissuration à chaud pendant la phase de fusion laser de la poudre.De plus, en tant que matériaux de construction couramment utilisés, les alliages d'aluminium sont souvent soumis à des conditions de frottement et d'usure. Dans le présent travail, et du Ti pour affiner les grains, ce nouvel alliage à base de Al-Cu-Mg va nous permettre de surmonter la fissuration à chaud sévère et d'améliorer ses propriétés mécaniques ainsi que sa résistance à l'usure.Après l'ajout de 2.04 % en masse de Si, et à une vitesse seuil de balayage laser de 400 mm/s. Le mécanisme de piégeage du Cu dans la matrice α-Al ainsi que la ségrégation du Mg dans les régions interdendritiques se produisent dans le processus de solidification. L'ajout de Si affine les grains columnaires en augmentant la valeur du facteur de restriction de croissance (Q) et en favorisant la formation de la phase Mg2Si. Ce qui conduit à l'amélioration de la résistance à la fissuration à chaud.Avec l'introduction continue de 0.6 % en masse de Ti, la vitesse critique de balayage laser est augmentée à 800 mm/s afin d’éliminer les fissures à chaud. La microstructure de l'alliage Al-Cu-Mg-Si-Ti se compose de grains ultrafins équiaxes (UFG) et de grains columnaires grossiers (CG). Des particules pré-précipitées de D022-Al3Ti ont été trouvées pour agir comme des noyaux pour affiner les grains à la frontière du pool fondu. La double nanoprécipitation des phases Q' et S' a été introduite pour améliorer les performances mécaniques de la matrice α-Al.L'échantillon construit présente des propriétés mécaniques supérieures, avec une limite élastique de 473 ± 8 MPa, une résistance à la traction ultime (UTS) de 541 ± 2 MPa et un module d'élasticité de 10.9 ± 1.2 %.Comparé à l'alliage Al-Cu-Mg-Si traité par LPBF, l'ajout de Ti réduit le taux d'usure de 2.5×10-4 cm3/m à 1.26×10-4 cm3/m pour une charge appliquée de 10 N. La microstructure hétérogène raffinée permet d'obtenir une synergie de résistance-ductilité de l'alliage Al-Cu-Mg-Si-Ti, ce qui offre une meilleure résistance au comportement d'indentation et à l'initiation des fissures. Les alliages Al-Cu-Mg-Si et Al-Cu-Mg-Si-Ti présentent une usure par abrasion ainsi que des traces d’usure par délaminage sous une charge appliquée de 10 N.Pour explorer davantage les propriétés mécaniques potentielles de l'alliage Al-Cu-Mg, un composite matriciel Al-Cu-Mg renforcé de 3 % en poids de TiB2 a été fabriqué par LPBF.En général, le composite TiB2p/Al-Cu-Mg traité par LPBF présente des grains colonnaires raffinés avec une largeur moyenne de 6.5 μm. Cependant, une microstructure et des propriétés mécaniques en gradient ont également été observées le long de la direction de la hauteur. Les particules de TiB2 se dispersent uniformément au sommet du dépôt, tandis qu'elles sont agrégées aux limites du bassin fondu en bas de l'échantillon. L'intensité de la texture montre une tendance à la hausse avec la diminution de la hauteur du dépôt. La limite élastique augmente de 230.03 MPa en bas à 244.17 MPa en haut des échantillons en raison de la forte teneur en phase de renforcement θ en forme de plaque
Analyse de données 3D du monde réel : efficacité et interprétabilité
No full textThis thesis explores new deep-learning approaches for modeling and analyzing real-world 3D data. 3D data processing is helpful for numerous high-impact applications such as autonomous driving, territory management, industry facilities monitoring, forest inventory, and biomass measurement. However, annotating and analyzing 3D data can be demanding. Specifically, matching constraints regarding computing resources or annotation efficiency is often challenging. The difficulty of interpreting and understanding the inner workings of deep learning models can also limit their adoption.The computer vision community has made significant efforts to design methods to analyze 3D data, to perform tasks such as shape classification, scene segmentation, and scene decomposition. Early automated analysis relied on hand-crafted descriptors and incorporated prior knowledge about real-world acquisitions. Modern deep learning techniques demonstrate the best performances but are often computationally expensive, rely on large annotated datasets, and have low interpretability. In this thesis, we propose contributions that address these limitations.The first contribution of this thesis is an efficient deep-learning architecture for analyzing LiDAR sequences in real time. Our approach explicitly considers the acquisition geometry of rotating LiDAR sensors, which many autonomous driving perception pipelines use. Compared to previous work, which considers complete LiDAR rotations individually, our model processes the acquisition in smaller increments. Our proposed architecture achieves accuracy on par with the best methods while reducing processing time by more than five times and model size by more than fifty times.The second contribution is a deep learning method to summarize extensive 3D shape collections with a small set of 3D template shapes. We learn end-to-end a small number of 3D prototypical shapes that are aligned and deformed to reconstruct input point clouds. The main advantage of our approach is that its representations are in the 3D space and can be viewed and manipulated. They constitute a compact and interpretable representation of 3D shape collections and facilitate annotation, leading to emph{state-of-the-art} results for few-shot semantic segmentation.The third contribution further expands unsupervised analysis for parsing large real-world 3D scans into interpretable parts. We introduce a probabilistic reconstruction model to decompose an input 3D point cloud using a small set of learned prototypical shapes. Our network determines the number of prototypes to use to reconstruct each scene. We outperform emph{state-of-the-art} unsupervised methods in terms of decomposition accuracy while remaining visually interpretable. We offer significant advantages over existing approaches as our model does not require manual annotations.This thesis also introduces two open-access annotated real-world datasets, HelixNet and the Earth Parser Dataset, acquired with terrestrial and aerial LiDARs, respectively. HelixNet is the largest LiDAR autonomous driving dataset with dense annotations and provides point-level sensor metadata crucial for precisely measuring the latency of semantic segmentation methods. The Earth Parser Dataset consists of seven aerial LiDAR scenes, which can be used to evaluate 3D processing techniques' performances in diverse environments.We hope that these datasets and reliable methods considering the specificities of real-world acquisitions will encourage further research toward more efficient and interpretable models.Cette thèse explore de nouvelles approches d'apprentissage profond pour l'analyse des données 3D du monde réel. Le traitement des données 3D est utile pour de nombreuses applications telles que la conduite autonome, la gestion du territoire, la surveillance des installations industrielles, l'inventaire forestier et la mesure de biomasse. Cependant, l'annotation et l'analyse des données 3D peuvent être exigeantes. En particulier, il est souvent difficile de respecter des contraintes liées à l'utilisation des ressources de calcul ou à l'efficacité de l'annotation. La difficulté d'interpréter et de comprendre le fonctionnement interne des modèles d'apprentissage profond peut également limiter leur adoption.Des efforts considérables ont été déployés pour concevoir des méthodes d'analyse des données 3D, afin d'effectuer des tâches telles que la classification des formes ou la segmentation et la décomposition de scènes. Les premières analyses automatisées s'appuyaient sur des descripteurs créés à la main et incorporaient des connaissances préalables sur les acquisitions du monde réel. Les techniques modernes d'apprentissage profond ont de meilleures performances, mais, sont souvent coûteuses en calcul, dépendent de grands ensembles de données annotées, et sont peu interprétables. Les contributions de cette thèse répondent à ces limitations.La première contribution est une architecture d'apprentissage profond pour l’analyse efficace de séquences LiDAR en temps réel. Notre approche prend en compte la géométrie d'acquisition des capteurs LiDAR rotatifs, que de nombreuses pipelines de conduite autonome utilisent. Par rapport aux travaux antérieurs, qui considèrent les rotations complètes des capteurs LiDAR individuellement, notre modèle traite l'acquisition par petits incréments. L'architecture que nous proposons à une performance comparable à celle des meilleures méthodes, tout en réduisant le temps de traitement de plus de cinq fois, et la taille du modèle de plus de cinquante fois.La deuxième contribution est une méthode d'apprentissage profond permettant de résumer de vastes collections de formes 3D à l'aide d'un petit ensemble de formes 3D. Nous apprenons un faible nombre de formes prototypiques 3D qui sont alignées et déformées pour reconstruire les nuages de points d'entrée. Notre représentation compacte et interprétable des collections de formes 3D permet d'obtenir des résultats à l'état de l'art de la segmentation sémantique avec peu d'exemples annotés.La troisième contribution développe l'analyse non supervisée pour la décomposition de scans 3D du monde réel en parties interprétables. Nous introduisons un modèle de reconstruction probabiliste permettant de décomposer un nuage de points 3D à l'aide d'un petit ensemble de formes prototypiques apprises. Nous surpassons les méthodes non supervisées les plus récentes en termes de précision de décomposition, tout en produisant des représentations visuellement interprétables. Nous offrons des avantages significatifs par rapport aux approches existantes car notre modèle ne nécessite pas d'annotations lors de l'entraînement.Cette thèse présente également deux jeux de données annotés du monde réel en accès libre, HelixNet et Earth Parser Dataset, acquis respectivement avec des LiDAR terrestres et aériens. HelixNet est le plus grand jeu de données LiDAR de conduite autonome avec des annotations denses, et fournit les métadonnées du capteur pour chaque points, cruciales pour mesurer précisément la latence des méthodes de segmentation sémantique. Le Earth Parser Dataset se compose de sept scènes LiDAR aériennes, qui peuvent être utilisées pour évaluer les performances des techniques de traitement 3D dans divers environnements.Nous espérons que ces jeux de données, et ces méthodes fiables tenant compte des spécificités des acquisitions dans le monde réel, encourageront la poursuite de la recherche vers des modèles plus efficaces et plus interprétables