• Langue : Français
• Discipline : Milieux dilués et optique fondamentale
• Identifiant : 2024ULILR024
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 07/05/2024

Résumé en langue originale

Les procédés de fabrication additive permettent la réalisation de structures aux géométries complexes, dont l'utilisation est de plus en plus répandue dans différents domaines industriels, de l'aéronautique jusqu'à la production d'énergie.La nature additive de ces procédés permet l'intégration de capteurs au sein des pièces durant leur fabrication, et ainsi d'obtenir des pièces instrumentées à cœur.La réalisation de mesure au sein de ces pièces à haute température (typiquement de 600°C à 1000°C) nécessite le déploiement de transducteurs adaptés à ces conditions environnementales extrêmes.Ces travaux s'intéressent à l'intégration au sein de structures métalliques et céramiques de transducteurs à réseaux de Bragg (RdBs) inscrits au sein de fibres optiques en silice à l'aide de lasers femtoseconde.Ces transducteurs permettent notamment de réaliser des mesures multipoints à haute cadence, sont insensibles aux perturbations électromagnétiques environnementales et résistent à des températures dépassant 1000°C.Nous traitons dans un premier temps de l'étalonnage de ces transducteurs, et démontrons que l'erreur de mesure comparable à celle d'un thermocouple de type~N pouvait être obtenue jusqu'à 900°C, sous réserve d'une stabilisation suffisante de la fibre.Nous abordons ensuite la stabilité des mesures à long terme à des températures s'élevant à 1000°C, et montrons qu'elle est pilotée par la tenue du composant photoinscrit, dépendant des paramètres d'inscription au laser femtoseconde, mais sont également tributaires des propriétés intrinsèques de la fibre à ces températures.Nous présentons ensuite le suivi in situ de la température au sein d'une pièce en acier inoxydable fabriquée par fusion laser sur lit de poudre à l'aide de lignes de RdBs de type III.Après avoir identifié les limites imposées par la nature transitoire du phénomène sondé, nous montrons que les mesures réalisées à cœur peuvent être simulées numériquement à l'aide d'un modèle simplifié du procédé de fabrication.Enfin, nous présentons l'intégration de RdBs de type III au sein de structures céramiques réalisées par projection plasma.Nous montrons notamment pour la première fois, à notre connaissance, que le recours à de nouveaux revêtements de nature céramique sur les fibres optiques permet de réaliser des mesures au sein des structures soumises à des sollicitations thermomécaniques en flexion jusqu'à 800°C.

Résumé traduit

Additive manufacturing processes are increasingly employed in multiple industrial fields, from transports, aeronautics and defense to energy production, allowing the production of complex parts layer-by-layer.This specific approach allows the embedding (or integration) of sensors directly inside the parts during their manufacturing.Performing measurements inside the instrumented parts at high temperatures (typically 600°C to 1000°C) requires specific transducers, resilient to these harsh environments.In this work, we focus on fiber Bragg gratings (FBGs) transducers inscribed with femtosecond laser pulses within fused silica optical fibers.These sensors withstand temperatures beyond 1000°C, are lightweight, resistant to electromagnetic interferences and allow multipoint sensing with limited intrusivity in the instrumented structures.We focus more specifically on type III FBGs, written using the point by point technique.A first section of this work evaluates the high temperature measurement performance of such transducers using specific calibration models.We show that measurement errors comparable to type~N thermocouples can be obtained up to 900°C.We also address the high temperature stability of these sensors, and show that at 1000°C, the measurement drift is dependent on laser writing conditions but also on phenomena driven by the glass fiber behavior itself at these temperature levels.We report temperature in situ monitoring during the additive manufacturing of a stainless steel part by laser powder bed fusion using an array of these type III FBGs.After discussing the measurement limits due to the transient nature of the monitored phenomenon, we show that the experimental results are in good agreement with numerical simulations performed using a simplified model of the additive manufacturing process.Finally, we report for the first time to our knowledge the embedding of high temperature FBGs in plasma sprayed ceramic structures.Thanks to the use of ceramic coatings on the embedded optical fibers, this work demonstrates their ability to perform measurements under flexural loads up to 800°C.