Modélisation du processus de texturation par faisceau laser (approches expérimentale et numérique)

L objectif de ce travail est de mieux maîtriser le processus de texturation par faisceau laser sur trois matériaux : 304L, TA6V et AA6056. Dans ce but, nous avons mis en œuvre deux types de modélisation, expérimentale et numérique, que nous voulons complémentaires. A l aide de la méthode des plans d expériences on a observé que le processus de texturation par faisceau laser pour les alliages 304L et TA6V est fortement influencé par l énergie et la fréquence des impulsions. Afin d obtenir une rugosité Sa 5 m avec la plus grande productivité possible, il faut travailler avec une énergie de 5 mJ et une fréquence comprise entre 10 et 12 kHz. Malheureusement, pour l alliage d aluminium AA6056 il faut choisir soit une bonne qualité de surface soit une productivité élevée. Les simulations numériques des phénomènes couplés (thermique-hydrodynamique-mécanique) complètent les informations expérimentales et ont montré l existence d une forte pression de recul qui repousse le liquide vers les bords du cratère (v qq m.s-1) même après la fin d impulsion (effet d inertie). Le fait que le déplacement du liquide est plus important pour AA6056 que pour 304L et TA6V, conduit à une formation de bourrelets plus importante autour de l impact. Ils ont une influence négative sur la rugosité de la surface. Dans ce cas, afin de minimiser la rugosité, il faut assurer le meilleur compromis qui permet de favoriser la vaporisation, de diminuer l épaisseur de la couche de liquide, ainsi que d optimiser le taux de recouvrement des impacts. En conclusion, le faisceau laser peut être utilisé avec succès pour la texturation de surfaces métalliques.The aim of this work is to have a better control on the laser beam surfaces texturing on three materials: 304L, TA6V and AA6056 alloys. For this purpose, it has been used two types of modelling, experimental and numerical, that are complementary. Using an experimental design approach it was observed that the laser surface texturing process of 304L and TA6V alloys are strongly influenced by energy and frequency of pulses. In order to obtain a surface roughness Sa 5 m for the biggest possible productivity it is necessary to work with an energy of 5 mJ and a frequency ranging between 10 and 12 kHz. Unfortunately, for aluminium alloy AA6056 it is necessary to make a choice between having a good surface quality and having a high productivity. The numerical simulations of the coupled phenomena (thermals-hydrodynamics-mechanics) complete the experimental information and they have been showed that the existence of a strong recoil pressure generates a strong movement of liquid towards the edges of the crater (v some m.s-1) which continues after the end of impulse (inertia effect). The fact that the displacement of the liquid is more important for AA6056 than for 304L and TA6V, determs a more important pads formation arround the impact. This has a negative influence on surface roughness. In this case, in order to minimize the surface roughness, it is necessary to assure the best compromise which is making possible to favour the vaporization, to decrease the thickness of the melt liquid and to optimize the covering rate of the impacts. In conclusion, the laser beam can successfully be used in metal s surfaces texturing process.DIJON-BU Sciences Economie (212312102) / SudocSudocFranceF

Modélisation du processus de texturation par faisceau laser (approches expérimentale et numérique)

L objectif de ce travail est de mieux maîtriser le processus de texturation par faisceau laser sur trois matériaux : 304L, TA6V et AA6056. Dans ce but, nous avons mis en œuvre deux types de modélisation, expérimentale et numérique, que nous voulons complémentaires. A l aide de la méthode des plans d expériences on a observé que le processus de texturation par faisceau laser pour les alliages 304L et TA6V est fortement influencé par l énergie et la fréquence des impulsions. Afin d obtenir une rugosité Sa 5 m avec la plus grande productivité possible, il faut travailler avec une énergie de 5 mJ et une fréquence comprise entre 10 et 12 kHz. Malheureusement, pour l alliage d aluminium AA6056 il faut choisir soit une bonne qualité de surface soit une productivité élevée. Les simulations numériques des phénomènes couplés (thermique-hydrodynamique-mécanique) complètent les informations expérimentales et ont montré l existence d une forte pression de recul qui repousse le liquide vers les bords du cratère (v qq m.s-1) même après la fin d impulsion (effet d inertie). Le fait que le déplacement du liquide est plus important pour AA6056 que pour 304L et TA6V, conduit à une formation de bourrelets plus importante autour de l impact. Ils ont une influence négative sur la rugosité de la surface. Dans ce cas, afin de minimiser la rugosité, il faut assurer le meilleur compromis qui permet de favoriser la vaporisation, de diminuer l épaisseur de la couche de liquide, ainsi que d optimiser le taux de recouvrement des impacts. En conclusion, le faisceau laser peut être utilisé avec succès pour la texturation de surfaces métalliques.The aim of this work is to have a better control on the laser beam surfaces texturing on three materials: 304L, TA6V and AA6056 alloys. For this purpose, it has been used two types of modelling, experimental and numerical, that are complementary. Using an experimental design approach it was observed that the laser surface texturing process of 304L and TA6V alloys are strongly influenced by energy and frequency of pulses. In order to obtain a surface roughness Sa 5 m for the biggest possible productivity it is necessary to work with an energy of 5 mJ and a frequency ranging between 10 and 12 kHz. Unfortunately, for aluminium alloy AA6056 it is necessary to make a choice between having a good surface quality and having a high productivity. The numerical simulations of the coupled phenomena (thermals-hydrodynamics-mechanics) complete the experimental information and they have been showed that the existence of a strong recoil pressure generates a strong movement of liquid towards the edges of the crater (v some m.s-1) which continues after the end of impulse (inertia effect). The fact that the displacement of the liquid is more important for AA6056 than for 304L and TA6V, determs a more important pads formation arround the impact. This has a negative influence on surface roughness. In this case, in order to minimize the surface roughness, it is necessary to assure the best compromise which is making possible to favour the vaporization, to decrease the thickness of the melt liquid and to optimize the covering rate of the impacts. In conclusion, the laser beam can successfully be used in metal s surfaces texturing process.DIJON-BU Sciences Economie (212312102) / SudocSudocFranceF

Comportement tribologique des surfaces de polymères traitées par laser

Compte tenu des bons obtenus par l'utilisation d'un faisceau laser pour améliorer le comportement tribologique des métaux, le travail propose une extension de ce procédé aux polymères. Pour cela, un traitement surfacique de texturation (réseau de rainures parallèles) par usinage laser à CO2 a été réalisé. L'étude de l'influence de la texture sur le comportement du couple acier (cylindre) sur un polycarbonate (plan) a été mise en évidence par une approche fretting. L'obtention des cartes de sollicitation locale a été réalisée d'une façon rapide par une méthode statistique, en appliquant les plans factoriels complets pour la conception et la réalisation des essais de fretting.Taking into account the remarkable results obtained by using laser beam for improving the tribological behaviour of metals, the thesis propose an extension of this procedure to the plastic materials. In order to obtain this propose a surface treatment was carried out by means of a CO2 laser, consisting of parallel grooves. The study of the laser patterns influence on the tribological behaviour of the contact couple cylinder (steel) plane (polycarbonate) was highlighted using a fretting approach. The running fretting maps plotting was rapidly achieved with an innovative statistical method, by designing and applying several complete factorial experiments for fretting tests.DIJON-BU Sciences Economie (212312102) / SudocSudocFranceF

Etude del'interaction laser-matière dans le cas des polymères semi-transparents (application au soudage des polymères)

L objectif de cette recherche doctorale a été d'estimer la soudabilité par laser des matériaux polymériques en fonction de leurs propriétés thermo-physiques. La première tâche, dans la recherche de cet objectif, a été de quantifier l'atténuation de la radiation dans les polymères semi-transparents en établissant la corrélation entre les propriétés optiques des inclusions et de la matrice du polymère, et la distribution spatiale de l'intensité laser les traversant, c'est à dire, en effectuant une modélisation des phénomènes optiques qui permet d estimer la forme de la distribution du faisceau laser à l interface des deux matériaux. Cette modélisation a permis aussi de découpler les facteurs influents et d explorer leurs effets sur l atténuation et l élargissement du faisceau laser à travers un milieu semi transparent. L étape suivante consiste à réaliser le couplage entre le modèle optique et le modèle thermique, fondé sur l équation de la diffusion de la chaleur, afin de déterminer les champs de températures dans le volume des composants. Cette étude constitue une ouverture vers l approche scientifique des processus de soudage par laser des thermoplastiques en offrant des méthodes et des techniques pour l optimisation globale de ceux-ci.The purpose of the present study was to estimate the weldability of a polymeric material couple according to their thermal and optical properties. The first task in pursuit of this goal was to quantify the beam attenuation in the semi-transparent polymer by making connection between the optical properties of the bulk materials of which the heterogeneities and the medium are made and the laser intensity spatial distribution into the medium. This modeling allowed establishing the importance of each scattering parameter on the beam attenuation and its broadening at the exit of the semi-transparent polymer. The second step was to realize a connection between the optical model and a thermical one, based on the general heat transfer equation in order to determine the temperature field inside the two materials to be welded. This study represents an opening in the scientific approach of polymers laser welding process, offering in the same time new possibilities in global optimization of the process.DIJON-BU Sciences Economie (212312102) / SudocSudocFranceF