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De la solution au réseau poreux : contrôler la morphologie et les propriétés des aérogels de cellulose
No full textAerogel materials exhibit unique characteristics such as low density, open porosity, and a high internal specific surface area. These features make them highly desirable for diverse applications such as thermal insulation, environmental remediation, filtration, catalysis, energy storage, sensing technologies, and space exploration. Traditionally, aerogels are synthesized from silica, metal oxides, or synthetic polymers, relying either on costly raw materials such as silica or petroleum-based chemicals, along with expensive and energy-intensive manufacturing processes.In the early 21st century, a new class of aerogels emerged: they are based on polysaccharides, possessing reduce environmental footprint and unlocking aerogels' use in life sciences (biomedical, pharmaceutical, food, and cosmetics). Among various polysaccharides, cellulose stands out as one of the very promising raw materials for aerogel production due to its abundance, renewability, non-competition with food sources and biodegradability. Despite these advantages, cellulose-based aerogels, as well as other bio-aerogels, have struggled to find widespread applications. This is attributed to several drawbacks, such as long production process relying on diffusion-driven phase separation and use of low- or high-pressure technology needed for drying. Cellulose aerogels also present some structural limitations: for example, the presence of large macropores and aggregated structures compromise thermal insulation performance.This thesis explores the correlations between processing conditions and properties of porous cellulose-based materials made via dissolution-coagulation and drying pathway. The process involves microcrystalline cellulose dissolution, aqueous NaOH is used as an easy to recycle non-toxic cellulose solvent. Dissolution is followed by an optional gelation step, after which solvent exchange occurs via diffusion. This process induces phase separation and cellulose self-aggregation into a three-dimensional network with non-solvent in the pores. After an optional further exchange with other non-solvents, the coagulated gel is dried, usually with supercritical CO2, to obtain the aerogel.Currently, aerogel production largely relies on trial-and-error approaches, limiting advancing cellulose aerogels towards practical applications. The goal of this thesis is thus a systematic examination and understanding of the impact of various non-solvents and of drying conditions on the morphology and properties of cellulose, targeting aerogel-like materials.Several critical issues will be addressed in this thesis. The influence of coagulation non-solvent on the morphology of the porous network will be investigated. Special attention will be given to evaporative drying and the relationship between the properties of the precursor before drying and those of the final dried material. Evaporative drying presents a simple and scalable alternative to supercritical drying; however, capillary pressure must be managed to prevent structural collapse. Achieving aerogel-like properties through evaporative drying requires control of the coagulated gel morphology and drying conditions. Additionally, efforts will be made to chemically modify cellulose to impart hydrophobicity to the aerogels. Finally, the impact of porous material morphology on the diffusion-driven release kinetics for drug-delivery applications will be evaluated.We aim to control the final properties of cellulose aerogels and aerogel-like materials by deepening our understanding of the processing steps involved. This study prioritizes the use of simple techniques, environmentally friendly and low-toxicity compounds, and scalable production methods to reduce manufacturing costs and environmental impact.Les aérogels possèdent des caractéristiques singulière, une faible densité, une porosité ouverte et une grande surface spécifique. Ces propriétés les rendent attractifs pour diverses applications, notamment l'isolation thermique, la dépollution, la filtration, la catalyse, le stockage d'énergie, les capteurs et l'exploration spatiale. Traditionnellement, les aérogels sont synthétisés à partir de silice, d'oxydes métalliques ou de polymères synthétiques, impliquant l'utilisation de matières premières coûteuses (comme la silice ou des produits pétrochimiques) et des procédés de fabrication énergivores et onéreux.Au début du XXIe siècle, un nouveau type d'aérogels à base de polysaccharides a émergé, possédant une empreinte environnementale réduite et ouvrant des perspectives dans le biomédical, la pharmaceutique, l'alimentation et le cosmétique. Parmi les différents polysaccharides, la cellulose est une matière première prometteuse en raison de son abondance, sa renouvelabilité, sa non-compétition avec les ressources alimentaires et sa biodégradabilité. Malgré ces avantages, les aérogels de cellulose peinent à trouver des applications à grande échelle. Cela s'explique par plusieurs contraintes, notamment un processus de production long reposant sur la diffusion et l'utilisation de technologies de séchage sous basse ou haute pression. De plus, les aérogels de cellulose présentent des limitations structurelles, comme la présence de macropores de grande taille et d'agrégats important, ce qui affecte leurs performances en isolation thermique.Cette thèse explore les corrélations entre les conditions de préparation et les propriétés des matériaux poreux à base de cellulose obtenus par dissolution-coagulation et séchage. Le procédé implique la dissolution de cellulose microcristalline dans une solution aqueuse de soude, un solvant non toxique et recyclable. Après dissolution, une étape de gélification peut être réalisée, suivie d'un échange de solvant par diffusion avec un non-solvent. Ce processus entraîne une séparation de phase et une agrégation de la cellulose en un réseau tridimensionnel. Après un éventuel échange supplémentaire avec d'autres non-solvants, le gel coagulé est généralement séché en utilisant du CO₂ supercritique pour obtenir l'aérogel.À l'heure actuelle, la production d'aérogels repose sur une approche empirique, freinant leur développement pour des applications concrètes. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier de manière systématique l'impact des différents non-solvants et des conditions de séchage sur la morphologie et les propriétés de la cellulose en vue de produire des matériaux de type aérogel.Plusieurs aspects critiques seront abordés. L'influence du non-solvant de coagulation sur la morphologie du réseau poreux sera analysée, en mettant un accent particulier sur le séchage par évaporation et la relation entre les propriétés du précurseur avant séchage et celles du matériau final. Le séchage évaporatif constitue une alternative simple et évolutive au séchage supercritique, mais il nécessite de maîtriser la pression capillaire pour éviter l'effondrement structurel. Obtenir des propriétés comparables à celles des aérogels par séchage évaporatif exige donc un contrôle précis de la morphologie du gel coagulé et des conditions de séchage. De plus, des modifications chimiques seront envisagées pour rendre les aérogels hydrophobes. Enfin, l'impact de la morphologie poreuse sur les cinétiques de libération contrôlée de médicaments sera évalué.L'objectif est de mieux contrôler les propriétés finales des aérogels de cellulose et des matériaux apparentés en approfondissant la compréhension des étapes de traitement. Cette étude privilégie des techniques simples, des composés à faible toxicité, ainsi que des méthodes de production industrialisable afin de réduire les coûts de fabrication et l'impact environnemental des aérogels de cellulose
Recalage de données BIM en réalité augmentée par une approche de segmentation 3D basée sur la détection 2D multi-vues.
No full textThis thesis presents a hybrid approach to 3D registration in augmented reality, combining object detection in 2D images, segmentation of 3D point clouds, and alignment using the Iterative Closest Point (ICP) algorithm. The proposed method addresses the dual challenge of achieving accuracy and real-time performance, particularly in applications related to Building Information Modeling (BIM).The approach is structured around three main components: (1) automated detection of relevant objects in 2D images using artificial intelligence techniques; (2) segmentation of 3D point clouds through bounding boxes, optimized for mobile device constraints; and (3) registration of the BIM model within the segmented point cloud, initialized through geometric correspondence and refined using ICP.This framework was developed in the context of the R3NDER industrial project, with the aim of ensuring adaptability to other augmented reality scenarios in complex environments. Experimental evaluations focused on specific objects, such as fire hydrants, show that the proposed approach achieves accurate registration with a limited number of views. The use of 3D bounding box intersection offers a relevant balance between spatial accuracy and algorithmic complexity.Cette thèse présente une approche hybride pour le recalage 3D en réalité augmentée, combinant détection d’objets dans des images 2D, segmentation de nuages de points 3D, et recalage par l’algorithme Iterative Closest Point (ICP). L’objectif est de répondre aux exigences de précision et de performance en temps réel posées par les applications de réalité augmentée dans le cadre du Building Information Modeling (BIM).L’approche proposée s’organise en trois modules complémentaires : (1) une détection automatique d’objets d’intérêt dans des images 2D par des méthodes d’intelligence artificielle ; (2) une segmentation des nuages de points 3D à l’aide de boîtes englobantes, adaptée aux contraintes de calcul des dispositifs mobiles ; (3) un recalage du modèle BIM dans le nuage de points segmenté, en s’appuyant sur une initialisation par correspondance géométrique suivie d’un raffinement par ICP.Cette approche a été développée dans le contexte du projet industriel R3NDER, tout en visant une portabilité vers d’autres cas d’usage en réalité augmentée dans des environnements complexes. Les expérimentations menées sur des objets tels que les bornes d’incendie montrent que l’approche permet un recalage précis avec un nombre limité de vues. L’intersection des boîtes englobantes s’est révélée pertinente pour équilibrer la précision spatiale et la complexité algorithmique
Informations contextuelles du jumeau numérique en perception augmentée pour la robotique industrielle et la collaboration humain-robot.
No full textIn the context of Industry 5.0, this thesis focuses on augmented perception. This refers to enhancing the perception of robotic agents with information from the digital twin of an industrial environment. It involves integrating virtual elements into the field of perception of a real robot.The digital twin enables contextual information to be taken into account in order to describe these virtual elements in a relevant way. Combined with detailed context modelling, it provides both spatial data that can be used directly by the robot's perceptual systems, and temporal information linked to production processes, integrating machines and human operators.This approach will be evaluated through trajectory planning strategies applied to different use cases: some will involve the avoidance of virtual obstacles (industrial objects) by a real robot; others will integrate humans, represented in augmented reality in the robot's field of perception (cobotic arm or mobile robot). These use cases will address the resilience of production systems in terms of robustness and flexibility. We will demonstrate that augmented perception can enhance both the robustness and flexibility of production systems in the context of Industry 5.0.Dans le cadre de l’industrie 5.0, cette thèse porte sur la perception augmentée. Celle-ci désigne l'enrichissement de la perception des agents robotiques par des informations issues du jumeau numérique d'un environnement industriel. Il s'agit d’intégrer des éléments virtuels dans le champ d’observation d’un robot réel.Le jumeau numérique permet de prendre en compte des informations contextuelles afin de décrire de manière pertinente ces éléments virtuels. Associé à une modélisation fine du contexte, il fournit à la fois des données spatiales, directement exploitables par les organes de perception du robot, et des informations temporelles liées aux processus de production, intégrant machines et opérateurs humains.Cette approche sera évaluée à travers des stratégies de planification de trajectoires appliquées à différents cas d’usage : certains porteront sur l’évitement d’obstacles virtuels (objets industriels) par un robot réel ; d’autres intégreront l’humain, représenté en réalité augmentée dans le champ de perception du robot (bras cobotique ou robot mobile). Ces cas d'usage aborderont la question de la résilience des systèmes de production en termes de robustesse et de flexibilité. Nous démontrerons que la perception augmentée peut améliorer à la fois la robustesse et la flexibilité des systèmes de production dans le contexte de l'industrie 5.0
Développement de mini-éprouvettes pour évaluer la ténacité de tubes de transport pour application H2
No full textThe transition towards renewable energy sources has led to increased interest in hydrogen as a clean energy vector, especially in transportation applications. However, the interaction of hydrogen with materials, particularly steels used in gas pipelines, poses challenges related to hydrogen embrittlement (HE), which compromises material performance. This research focuses on the development and application of sub-size mechanical specimens to evaluate the mechanical properties of pipeline steels in hydrogen environments.The thesis is carried out under the ANR Industrial Chair MESSIAH, in collaboration with Air Liquide and Mannesmann Precision Tubes France. It aims to develop experimental methodologies for testing miniature specimens extracted from in-service pipelines to evaluate degradation induced by gaseous hydrogen. The novelty of this approach lies in the use of small-scale samples for advanced mechanical testing, providing a practical solution for in-situ evaluation while maintaining the structural integrity of critical infrastructures.The thesis investigates two types of steel, a modern alloy and a vintage counterpart, to assess the influence of microstructural characteristics, such as inclusions, on HE susceptibility. The mechanical tests include tensile and fracture toughness experiments conducted under both atmospheric and gaseous hydrogen conditions. An innovative test setup was developed to perform mechanical characterization of hydrogen embrittlement in a gaseous environment using sub-size specimens.The key findings of this research indicate that sub-size specimens are effective in capturing the fracture behavior and hydrogen embrittlement effects in pipeline steels. Through extensive mechanical testing and fracture characterization, the study discusses the correlation between the results obtained from sub-size and standard-size specimens, aiming to validate the reliability of mini-specimen tests for material degradation analysis.The outcomes of this research will contribute to the standardization of miniature specimen testing for hydrogen-exposed infrastructures. Furthermore, they provide insights into the mechanical performance of steels under hydrogen exposure, supporting the design and safety of future hydrogen transport systems.La transition vers des sources d'énergie renouvelables a suscité un intérêt croissant pour l'hydrogène en tant que vecteur énergétique propre, notamment dans les applications de transport. Cependant, l'interaction de l'hydrogène avec les matériaux, en particulier les aciers utilisés dans les gazoducs, présente des défis liés à la fragilisation par l'hydrogène (FH), qui compromet la performance des matériaux. Cette recherche se concentre sur le développement et l'application de mini-éprouvettes pour évaluer les propriétés mécaniques des aciers de pipeline dans des environnements contenant de l'hydrogène.Cette thèse est réalisée dans le cadre de la Chaire Industrielle ANR MESSIAH, en collaboration avec Air Liquide et Mannesmann Precision Tubes France. Elle vise à développer des méthodologies expérimentales pour tester des mini-éprouvettes extraites de pipelines en service afin d'évaluer la dégradation induite par l'hydrogène gazeux. La nouveauté de cette approche réside dans l'utilisation d'échantillons de petite taille pour des essais mécaniques avancés, offrant une solution pratique pour des évaluations in-situ tout en préservant l'intégrité structurelle des infrastructures critiques.La thèse examine deux types d'acier, un alliage moderne et un acier vintage, afin d'évaluer l'influence des caractéristiques microstructurales, telles que les inclusions, sur la susceptibilité à la FH. Les essais mécaniques incluent des tests de traction et de ténacité à la rupture réalisés dans des conditions atmosphériques et sous hydrogène gazeux. Un banc d'essai innovant a été développé pour réaliser la caractérisation mécanique de la fragilisation par l'hydrogène en milieu gazeux à l'aide de mini-éprouvettes.Les résultats principaux de cette recherche montrent que les mini-éprouvettes sont efficaces pour capturer le comportement de fracture et les effets de la fragilisation par l'hydrogène dans les aciers de pipeline. Grâce à des essais mécaniques et à une caractérisation approfondie de la rupture, l'étude discute de la corrélation entre les résultats obtenus avec des mini-éprouvettes et des éprouvettes de taille standard, dans le but de valider la fiabilité des tests sur mini-éprouvettes pour l'analyse de la dégradation des matériaux.Les résultats de cette recherche contribueront à la normalisation des tests sur mini-éprouvettes pour les infrastructures exposées à l'hydrogène. De plus, ils apportent des connaissances sur les performances mécaniques des aciers sous exposition à l'hydrogène, soutenant ainsi la conception et la sécurité des futurs systèmes de transport d'hydrogène
Formation de film homogène par coalescence de gouttes
No full textNumerous industrial processes are used to apply liquid coatings provinding surface protection or functionalisation. In this dissertation, we are interested in droplet deposition methods such as spray or inkjet printing. In partial wetting conditions, a continuous liquid film is obtained from droplet deposition through a succession of distinct coalescence events, from the most elementary coalescence of two droplets to the merging of extended clusters. To understand the physical mechanisms, we carried out model coalescence experiments in partial wetting, for a small number of drops of controlled volume and position. With this aim, we first built an experimental set-up enabling drops to be formed and deposited with good control over their volume and position. The experiment was automated using a refurbished 3D printer as a robotic arm. This enabled us to carry out model experiments and to identify the important parameters that influence the coalescence dynamics. The study of the coalescence of two drops puts in evidence the importance of the wetting conditions. The final geometry after coalescence depends crucially on the extension of its contact angle hysteresis. It can indeed lead to a pinning of the con tact line and prevent receding after coalescence. Thus the final geometry depends on the value of the hysteresis as well as the experimental parameters. During coalescence, a liquid bridge forms between the drops. Its width follows a two-stage dynamics with a first power-law regime followed by an exponential relaxation to the final state. The relaxation time is proportional to drop size and also depends on wetting. We have also shown that asymmetry favours the withdrawal of liquid after coalescence. In the coalescence of two drops of different volumes, the smaller drop is at least partially absorbed by the larger drop. The coalescence dynamics is then faster than in the symmetrical case and the asymmetry is preserved in the final drop geometry. Moreover, the addition of a third drop may cause the liquid to recede, depending on the size of the drops and the distance separating them. Finally, we investigate an applied case closer to industrial deposits by studying the dynamics and final geometry of the coalescence of a network of drops. The coalescence events as well as various geometrical charactéristics of the drop pattern are tracked using a code that we developed.De nombreux procédés industriels permettent le dépôt par voie liquide de revêtement qui peuvent protéger ou fonctionaliser des surfaces. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux méthodes de dépôt sous forme de gouttes comme le spray ou l'impression jet d'encre. En mouillage partiel, l'obtention d'un film liquide continu à partir de de gouttes se fait par une succession d'événements de coalescence, de l'événement le plus élémentaire avec la coalescence de deux gouttes jusqu'à la fusion d'amas étendus. Pour comprendre les phénomènes impliqués, nous avons réalisé des expériences modèles de coalescence en mouillage partiel, pour un petit nombre de gouttes de volume et de position contrôlés. Pour cela nous avons tout d'abord mis en place un montage expérimental permettant de former et de déposer des gouttes avec un contrôle fin sur leur volume et leur position. Le montage expérimental a été automatisé en utilisant une imprimante 3D recyclée comme bras robotique. Nous avons donc pu réaliser des expériences modèles de coalescence et identifier les paramètres importants qui influencent le dépôt final. Ainsi, l'étude de la coalescence de deux gouttes a mis en lumière l'importance des conditions de mouillage et notamment de l'intensité de l'hystérésis d'angle de contact. En effet, l'existence d'une hystérésis peut bloquer le mouvement des lignes de contact et empêcher la rétraction du liquide après la coalescence. La géométrie finale dépendra alors de la valeur de l'hystérésis mais également des paramètres expérimentaux de l'expérience. Lors de la coalescence, un pont de liquide se forme entre les gouttes. Sa largeur suit une dynamique en deux temps avec d'abord un régime en puissance du temps puis une relaxation exponentielle jusqu'à l'état final. Le temps de relaxation est proportionnel à la taille des gouttes et dépend également du mouillage. Par ailleurs, nous avons montré que l'ajout d'asymétrie favorisait le retrait du liquide après coalescence. Dans ce cas, la petite goutte est absorbée, au moins partiellement, par la grosse. La dynamique de coalescence est alors plus rapide que dans le cas symétrique et l'asymétrie est conservée dans la géométrie de la goutte finale. De plus l'ajout d'une troisième goutte à la coalescence peut entraîner une rétraction du liquide en fonction de la taille des gouttes et de la distance les séparant. Enfin nous nous sommes intéressés à un cas appliqué plus proche des dépôts industriels en étudiant la dynamique et la géométrie finale de la coalescence d'un réseau de gouttes. Le suivi des événements de coalescence et de divers marqueurs géométriques du motif déposé est assuré par un code d'analyse d'image que nous avons développé
Sonder les propriétés non gaussiennes de gaz de Bose sur réseaux à travers les corrélations atomiques et la statistique universelle du paramètre d'ordre
No full textThis manuscript focuses on studying quantum many-body systems experimentally using quantum gases of metastable Helium-4 atoms in optical lattices. The latter are used to tune the effect of atomic interactions and provide a realisation of an inhomogeneous Bose-Hubbard Hamiltonian which features a superfluid and a Mott insulating phases separated by a continuous phase transition. The many-body state is probed from measuring repeatedly the single-atom-resolved momentum distribution of the atomic cloud to access atom number statistics in momentum space -- including full distributions and atom correlations.First, we perform a detector tomography to characterise the effect of the detection on the measured atom number distributions. We identify the states that are well-suited to perform such a characterisation and introduce a method to include shot-to-shot number fluctuations associated to the preparation of the atomic gas. We find that our detection is well-described by a binomial process.Then, we study the many-body state in the weakly- to strongly-interacting superfluid regime from monitoring two-body connected correlations at opposite momenta. Our measurements show the appearance and increase of such correlations at weak interactions as predicted by Bogoliubov theory. At larger interactions, the correlations decreases and becomes negative which translates to a breakdown of Bogoliubov theory followed by the emergence of non-Gaussian correlations. These results probe the increasing complexity of atomic correlations at increasing interactions.We increase further the interactions and cross the superfluid-to-Mott insulator phase transition. We study the critical behaviour from measuring the full distribution of the BEC order parameter amplitude across the phase transition. We observe the universal non-Gaussian statistics of the order parameter at criticality and oscillations of the corresponding high-order cumulants.Ce manuscrit porte sur l'étude expérimentale de systèmes quantiques à N corps à l'aide de gaz d'atomes d'hélium-4 métastables confinés dans des réseaux optiques. Ces systèmes permettent de contrôler finement l'intensité des interactions atomiques et réalisent une version inhomogène du modèle de Bose-Hubbard, présentant des phases superfluide et isolante de Mott séparées par une transition de phase continue.L'état quantique à N corps est sondé en mesurant, de manière répétée, la distribution en impulsion du nuage atomique avec une résolution à l'atome unique. Ces mesures donnent accès aux statistiques du nombre d'atomes dans l'espace des impulsions, incluant distributions complètes et corrélations atomiques.Dans un premier temps, nous effectuons une tomographie du détecteur afin de caractériser l'influence du processus de détection sur les distributions mesurées de nombres d'atomes. Nous identifions les états les plus adaptés à une telle caractérisation et introduisons une méthode permettant d'inclure les fluctuations de nombre d'atomes inhérentes à la préparation du gaz. Nous montrons que la réponse du détecteur est bien décrite par un processus binomial.Nous étudions ensuite l'évolution de l'état à N corps dans le régime superfluide, de faibles à fortes interactions, en suivant les corrélations connectées à deux corps entre impulsions opposées. Nos mesures révèlent l'apparition et l'augmentation de ces corrélations à faibles interactions, conformément aux prédictions de la théorie de Bogoliubov. À plus fortes interactions, les corrélations diminuent puis deviennent négatives, traduisant la rupture de validité de cette théorie et l'émergence de corrélations non-gaussiennes, signature d'une complexité croissante des corrélations interatomiques.Enfin, en augmentant encore les interactions, nous franchissons la transition de phase superfluide-isolant de Mott. Nous étudions le comportement critique en mesurant la distribution complète de l'amplitude du paramètre d'ordre -- qui quantifie la présence d'un condensat de Bose-Einstein -- à travers la transition. Nous mettons en évidence les statistiques non-gaussiennes universelles du paramètre d'ordre au point critique, ainsi que des oscillations des cumulants d'ordre élevé associés
Plan d’expériences adaptatif et techniques d’apprentissage automatique supervisé pour l’identification des domaines de fabricabilité avec une réduction des incertitudes
No full textManufacturing industries face conflicting demands: the need to innovate, improve product quality, reduce time-to-market, and lower production costs. Consequently, they must enhance their control over production processes and resources to optimise them, while limiting costly experimentation on often complex equipment. The definition of the process window—that is, the range of process parameters that yield parts conforming to specifications—is traditionally based on Design of Experiments (DoE), which are often simplified by fixing parameters considered secondary. Furthermore, many preliminary studies are conducted in technical centres using equipment different from that employed in industrial settings, making the resulting manufacturability domains difficult to transpose directly.This PhD thesis proposes a structured experimental methodology for identifying process window across various manufacturing processes. It is based on four hyperparameters: (1) the initial DoE, which defines a preliminary set of experiments to obtain labels (i.e., whether the sample meets the specifications); (2) the experimental phase, which outlines the manufacturing procedure, sample characterisation, and evaluation criteria; (3) supervised machine learning classification methods, which enable the delineation of the process window using a reduced number of experiments; (4) The adaptive design of experiments, which iteratively selects the most uncertain and experimentally feasible points to refine the domain boundaries, based on enrichment criteria (model uncertainty and experimental feasibility) and stopping criteria (total number of experiments, determining both the number of iterations and the number of experiments per iteration).The methodology was first evaluated numerically through various scenarios combining the hyperparameters, using performance indicators such as balanced accuracy, F1 score, and two risk metrics associated with false positive and false negative rates. It was then applied to four manufacturing processes to validate the approach: T-joint welding, friction stir welding (FSW), wire-arc additive manufacturing (WAAM), and high-speed concentrated energy deposition (HS-DED), the latter in collaboration with the wbk Institute at KIT (Germany). The results demonstrate a significant reduction in the number of experiments required to identify the process window.Les industries manufacturières doivent concilier des exigences souvent contradictoires : innover, améliorer la qualité, réduire les délais de mise sur le marché et les coûts de production. Cette pression impose une maîtrise accrue des procédés et des moyens de fabrication, tout en limitant les expérimentations coûteuses sur des équipements complexes. La définition du domaine de fabricabilité, c’est-à-dire la plage d’utilisation d’un procédé qui donne des pièces conformes par rapport au cahier de charges, repose traditionnellement sur des plans d’expériences (PdE), souvent simplifiés par la fixation de paramètres jugés secondaires. De plus, beaucoup d'études sont faites au préalable dans des centres techniques sur des moyens différents de ceux utilisés industriellement et les domaines de fabricabilité ne sont souvent pas directement transposables.Cette thèse propose une méthodologie expérimentale structurée pour identifier les domaines de fabricabilité dans divers procédés de fabrication. Elle repose sur quatre hyperparamètres : (1) le PdE initial, qui définit un premier ensemble d’expériences pour obtenir les étiquettes de fabricabilité (conforme ou non au cahier des charges), (2) la phase expérimentale, qui précise la procédure de fabrication, la caractérisation des échantillons et les critères d’évaluation, (3) les méthodes d’apprentissage automatique de classification supervisée, permettant de délimiter le domaine de fabricabilité avec un nombre réduit d’expériences et (4) le plan d’expérience adaptatif (PEA), qui sélectionne itérativement les points les plus incertains et réalisables pour affiner les frontières du domaine, selon des critères d’enrichissement (incertitude du modèle et faisabilité expérimentale) et d’arrêt (nombre total d’expériences qui définit à la fois le nombre d’itérations et le nombre d’expériences à mener à chaque itération).La méthodologie a été évaluée numériquement à travers différents scénarios combinant les hyperparamètres, en s’appuyant sur des indicateurs tels que la précision balancée, le score F1, et deux risques associés aux taux de faux positifs et négatifs. Elle a ensuite été appliquée à quatre procédés de fabrication afin de valider la méthodologie : soudage à l’arc en T, soudage par friction malaxage, fabrication additive par arc-fil, et dépôt sous énergie concentrée à haute vitesse, cette dernière en collaboration avec le laboratoire wbk du KIT (Allemagne). Les résultats démontrent une réduction significative du nombre d’expériences nécessaires pour identifier les domaines de fabricabilité
ADAPT-MOVE : un modèle d'amélioration de l'apprentissage moteur par la réalité virtuelle
No full textThis study explores a virtual reality (VR) model to enhance motor learning through integrated gamification, feedback mechanisms, and adaptive functions. Traditional motor learning models emphasize feedback and repetitive practice as critical to skill acquisition; however, they lack in adapting motivation-sustaining features such as gamification and adaptive interactions, especially within immersive VR environments. This research proposes a VR-based model that unifies psychological principles with VR’s technical capabilities to create a motivating and engaging environment. The model hypothesizes that gamification elements and feedback mechanisms improve motivation and engagement, while adaptive functions optimize task performance. Methodologies involve designing VR scenarios where task-specific motor activities are augmented with interactive and gamified elements. Experiments were conducted to measure motivation, engagement, and task performance, evaluated through self-reported measures and objective data. Results indicate that the proposed model provides an enhanced learning experience by improving skill acquisition and retention across varied motor tasks, making it valuable for applications in rehabilitation, sports training, and educational settings.Cette étude explore un modèle de réalité virtuelle (RV) pour améliorer l'apprentissage moteur grâce à l'intégration de la gamification, des mécanismes de retour d'information et des fonctions adaptatives. Les modèles traditionnels d'apprentissage moteur mettent l'accent sur le retour d'information et la pratique répétitive comme étant essentiels à l'acquisition des compétences ; cependant, ils manquent d'adaptation aux caractéristiques de motivation telles que la gamification et les interactions adaptatives, en particulier dans les environnements immersifs de la RV. Cette recherche propose un modèle basé sur la RV qui unifie les principes psychologiques avec les capacités techniques de la RV pour créer un environnement motivant et engageant. Le modèle suppose que les éléments de gamification et les mécanismes de retour d'information améliorent la motivation et l'engagement, tandis que les fonctions adaptatives optimisent l'exécution des tâches. Les méthodologies impliquent la conception de scénarios de RV dans lesquels des activités motrices spécifiques à une tâche sont complétées par des éléments interactifs et ludiques. Des expériences ont été menées pour mesurer la motivation, l'engagement et la performance des tâches, évalués à l'aide de mesures auto-déclarées et de données objectives. Les résultats indiquent que le modèle proposé offre une meilleure expérience d'apprentissage en améliorant l'acquisition et la rétention des compétences dans diverses tâches motrices, ce qui le rend utile pour des applications dans les domaines de la réadaptation, de l'entraînement sportif et de l'éducation
Modèles de conception et de commande pour machines polyphasées asynchrones à commutation électronique de pôles
No full textAs the rotor produces its magnetic field by induction, the power density of an asynchronous machine is lower than that of a synchronous machine. The rotor is a deforming magnetic mirror, reproducing the stator field polarity and adds harmonics. As the air-gap field is not synchronous, its position is not known. This technology provides greater robustness and reliability. Finally, by using phase shifts that are multiples of the usual phase shift, it is possible to change the polarity of the air-gap field. The multiplying coefficient is called the ‘sequence’. This change in polarity makes it possible to modify the synchronous speed and the maximum value of the mechanical torque, for the same inverter apparent power and the same modulating frequency. This thesis sets out to develop design models that take account of phenomena such as linear inter-sequence coupling (little studied in the literature) or saturation at lower computational cost. In addition, a machine control model based on flux orientation control will be developed without a position sensor for each of the machine polarities.The first model studied is a time model that is well known in the literature. It is used to transcribe the behaviour of the machine by writing the Ohm law in the stator and rotor phases. Expressing these equations in Fortescue bases makes it possible to describe the sequential behaviour of the machine, in particular the appearance of magnetic field harmonics. It is also possible to prove arithmetically that inter-sequence coupling can occur linearly because the rotor can generate field harmonics belonging to a sequence different from the initial supply sequence. This coupling depends on the number of stator and rotor phases in the machine and can affect the control of the machine. The second model studied is the permanent sinusoidal expression of the previous model. This second model takes the form of a single-phase equivalent electrical circuit. This circuit model takes into account all the sequence field harmonics of the used sequence and takes the form of a ladder circuit, already presented in the literature, whose resistive and inductive parameters are linked to the magnetising resistances and inductances of the machine.The third model studied is a section of the machine modelled by a network of reluctances excited by the stator and rotor slot currents. The reluctances are calculated from the geometry of the machine and may be linear or non-linear. A numerical resolution by inversion of the system of equations is used to calculate the magnetic state of the machine for a given excitation. The phase fluxes can be calculated and used to calculate the magnetising inductance of the machine. The results are compared with finite element simulations described in the literature and agree. However, the reluctance network model is much quicker to solve and enables saturation to be studied at lower computational cost.The indirect rotor flux orientation control model developed here enables the machine to reach a given speed under a given load and for a given power supply sequence. It is based on the estimation of the rotor flux position, calculated from the measurement of the stator Park currents and the rotor speed. The model's control parameters depend on the polarity requested, since the machine's dynamics change according to this data. Tests on a 9-phase prototype were carried out with this control system and enabled a machine efficiency map to be plotted as a function of load, speed and polarity. Knowing the efficiency enables the best sequence to be chosen for each load point.Comme le rotor produit son champ magnétique par induction, la puissance massique d’une machine asynchrone est plus faible que celle d’une machine synchrone. Le rotor est un miroir magnétique déformant, il reproduit la polarité du champ statorique en ajoutant des harmoniques. Comme le champ d’entrefer n’est pas synchrone, sa position n’est a priori pas connue. Cette technologie permet de gagner en robustesse et en fiabilité. Enfin, en utilisant des déphasages multiples du déphasage usuel, il est possible de changer la polarité du champ d’entrefer. Le coefficient multiplicateur est nommé « séquence ». Ce changement de polarité permet de modifier la vitesse de synchronisme et la valeur maximale du couple mécanique, pour une même puissance apparente d’onduleur et pour une même fréquence de modulante. Cette thèse s’attelle à développer des modèles de conception rendant compte de phénomènes tels le couplage inter-séquence linéaire (peu étudié dans la littérature) ou la saturation à moindre coût calculatoire. Aussi, un modèle de commande de machine par contrôle de l’orientation du flux sera développé sans capteur de position pour chacune des polarités de la machine. Le premier modèle étudié est un modèle temporel bien connu de la littérature. Il permet de transcrire le comportement de la machine à partir de l’écriture de la loi d’Ohm dans les phases statoriques et rotoriques. L’expression de ces équations dans les bases de Fortescue permet de décrire le comportement séquentiel de la machine, en particulier l’apparition des harmoniques de champ magnétique. Aussi, cela permet de prouver arithmétiquement qu’un couplage inter-séquence peut linéairement apparaître car le rotor peut générer des harmoniques de champ appartenant à une séquence différente de la séquence d’alimentation initiale. Ce couplage dépend du nombre de phases statoriques et rotoriques de la machine et peut perturber la commande de la machine. Le deuxième modèle étudier est l’expression du précédent modèle en régime sinusoïdal permanent. Ce deuxième modèle prend la forme d’un circuit électrique équivalent monophasé. Ce modèle circuit prend en compte tous les harmoniques de champ de la séquence utilisée et se présente sous la forme d’un circuit en échelle, déjà présenté dans la littérature, dont les paramètres résistifs et inductifs sont liés aux résistances et inductances magnétisantes de la machine. Le troisième modèle étudié est une section de la machine modélisée par un réseau de réluctances excité par les courants d’encoches statoriques et rotoriques. Les réluctances sont calculées à partir de la géométrie de la machine et peuvent être linéaires ou non. Une méthode de résolution numérique par inversion du système d’équation permet de calculer l’état magnétique de la machine pour une excitation donnée. Les flux de phases peuvent être calculés et permettent de calculer l’inductance magnétisante de la machine. Les résultats sont comparés à des simulations éléments finis décrites dans la littérature et concordent. Cependant, le modèle par réseau de réluctances est bien plus rapide à résoudre et permet d’étudier la saturation à moindre coût calculatoire. Le modèle de commande par orientation indirecte du flux rotorique développé ici permet à la machine d’atteindre une vitesse sous une charge donnée et pour une séquence d’alimentation donnée. Il repose sur l’estimation de la position du flux rotorique, calculée à partir de la mesure des courants de Park statoriques et de la vitesse du rotor. Les paramètres de contrôle du modèle dépendent de la polarité demandée car la dynamique de la machine change selon cette donnée. Des essais sur un prototype 9 phases ont été réalisés avec ce pilotage et ont permis de tracer une carte de rendement de la machine dépendant de la charge, de la vitesse et de la polarité. La connaissance du rendement permet de choisir la meilleure séquence pour chaque point de charge
Optimisation topologique sous incertitudes géométriques aléatoires et épistémiques
No full textAdditive manufacturing is an innovative manufacturing process enabling the production of parts with complex geometries. However, due to the effects of uncertainties, this process lacks repeatability. Consequently, the produced parts inherently exhibit geometric imperfections. The aim of this thesis is to integrate process-related information into the design workflow. To achieve this, a topology optimisation approach was developed. Topology optimisation assists designers by providing complex and performance-optimised geometries. The formulation has been modified to mitigate the effects of both aleatory and epistemic uncertainties. To address the impact of geometric imperfections in topology optimisation, several innovations were introduced.First, dedicated taxonomies for robust topology optimisation under geometric imperfections, uncertainty characterisation, and robust optimisation problems are developed.Moreover, a comprehensive methodological framework was conceived and applied.Subsequently, a model characterising geometric deviations as a function of local geometric features is compared against deterministic cases and a reference model from the literature.Finally, a method specifically designed to reduce the effects of epistemic uncertainties in robust topology optimisation is developed. This method allows the designer to adopt an optimistic or pessimistic approach depending on the accuracy of the models and the project context.The proposed work has proven effective in mitigating the impact of geometric imperfections during the design process for robustness.La fabrication additive est un procédé de fabrication innovant permettant de fabriquer des pièces aux formes complexes. Toutefois, à cause des effets des incertitudes, ce procédé de fabrication manque de répétabilité. Les pièces produites affichent emph{ipso facto} des imperfections géométriques. Le but de cette thèse est d'intégrer les informations venues du procédé dans le processus de conception. C'est pourquoi une approche basée sur l'optimisation topologique a été développée. L'optimisation topologique permet de guider le concepteur en fournissant des topologies aux formes complexes et optimisées vis-à-vis de critères de performance. La formulation est modifiée pour atténuer les effets des incertitudes aléatoires et épistémiques. Pour atténuer les effets des imperfections géométriques avec l'optimisation topologique, plusieurs nouveautés sont développées.Tout d’abord, des taxonomies dédiées à l'optimisation topologique robuste sous des imperfections géométriques, à la caractérisation des incertitudes et des problèmes d'optimisation robuste sont développés.De plus, un cadre méthodologique est développé et est appliqué.Puis, un modèle caractérisant les écarts géométriques en fonction des motifs géométriques est utilisé et est analysé aux cas déterministes et à un modèle de la littérature.Enfin, une méthode permettant d'atténuer les effets des incertitudes épistémiques est spécialement développée pour l'optimisation topologique robuste, permettant au concepteur de choisir entre une conception optimiste ou pessimiste en fonction de l'exactitude des modèles et du contexte du projet.Les travaux se sont révélés efficaces dans l'atténuation des effets des imperfections géométriques lors du processus de conception pour la robustesse