Mise en place de références métrologiques pour la mesure de conductivité thermique par microscopie thermique à balayage

Doctorante : Sarah DOURI

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

La demande croissante de la gestion thermique dans diverses industries (énergie, micro et nanoélectronique...) a fait naître le besoin de techniques de caractérisation thermique fiables à l'échelle micro et nanométrique. La microscopie thermique à balayage (SThM pour « Scanning Thermal Microscopy » en anglais) est un outil intéressant pour la caractérisation des propriétés thermiques et l'étude des mécanismes de transfert de chaleur à ces échelles. Cependant, certains aspects métrologiques restent un défi pour la mesure quantitative et traçable de la conductivité thermique avec la technique SThM. L'objectif de ce travail est d'améliorer la métrologie associée à la mesure de la conductivité thermique avec le SThM pour obtenir des mesures quantitatives, traçables et fiables. L'une des principales contributions de ce travail est l'établissement d'un nouveau modèle 3D par la méthode en éléments finis (MEF) pour la deuxième génération de la sonde Palladium afin de décrire plus précisément la dissipation de la chaleur en son sein ainsi que les différents mécanismes de transfert de chaleur qui se produisent entre la pointe et l'échantillon. Les résultats de simulation révèlent l'influence de la résistance thermique d'interface sur la réponse thermique et la sensibilité de la technique à ce paramètre tant dans l'air que dans le vide. Le transfert de chaleur par conduction en régime balistique (au contact), qui est généralement négligé dans les modèles existants dans la littérature, a été intégré dans le modèle 3D. L'étude met en évidence la nécessité de prendre en compte ce transfert de chaleur lorsque les mesures sont effectuées dans le vide. Une étude comparative entre le modèle 3D MEF et le modèle analytique généralement utilisé expérimentalement pour étalonner les sondes résistives évalue l'applicabilité de l'approche analytique pour les mesures de conductivité thermique et met en évidence ses limites et les améliorations possibles. La partie expérimentale de ce travail se concentre sur l'amélioration de l'installation expérimentale du Laboratoire de mesure et d'essais et des protocoles de mesure pour une mesure plus précise et répétable (reproductible). En outre, une courbe d'étalonnage expérimentale est établie et l'incertitude associée est évaluée à l'aide d'une nouvelle approche. Les résultats montrent que les améliorations apportées à l'installation et aux protocoles de mesure réduisent l'incertitude associée au mesurande, diminuant ainsi l'incertitude associée à l'estimation de la conductivité thermique. L'analyse expérimentale met en évidence que des mesures quantitatives et traçables de la conductivité thermique (pour des échantillons où le transfert de chaleur est principalement diffusif) avec la technique SThM sont possibles pour les matériaux à faible conductivité thermique (actuellement limitée à la plage de 0,187 W.m-1.K-1 jusqu'à 10 W.m-1.K-1) avec une incertitude associée <20 % (k=2).
 

Contribution à la compréhension du phénomène de bruit fantôme des dentures d'automobiles

Doctorant : Julien FINOT

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Au cours des dernières années, l'industrie automobile a entrepris une transformation majeure de ses groupes motopropulseurs afin de se conformer à des réglementations plus strictes concernant les émissions de CO2. Cela a conduit Stellantis à fabriquer des véhicules électriques qui sont plus silencieux que les véhicules à essence ou Diesel en raison de l'absence de ce type de groupe motopropulseur. La boîte de vitesses existe toujours, et le bruit d'engrènement, également appelé bruit de sirène, devient plus audible à l'intérieur de la voiture. De plus, un autre type de bruit, appelé bruit fantôme, peut apparaître et devenir insupportable pour les utilisateurs du véhicule. La manière dont ce bruit fantôme est créé est encore sujet à discussion, mais il est clairement lié au processus de superfinition des flancs des dents des roues dentées et en particulier au processus de rectification par génération des roues dentées. Comme il s'agit du processus de superfinition le plus rapide pour l'usinage des dents, il est impératif pour l'industrie automobile de maîtriser ce phénomène de bruit. Tout d'abord, une introduction à l'évolution de la fabrication des engrenages chez Citroën et de l'architecture des boîtes de vitesses est faite pour mettre en évidence la transformation constante de cette industrie. Ensuite, une revue de la littérature traitant du phénomène de bruit fantôme est réalisée, abordant plusieurs sujets tels que: - La mesure et l'analyse de la micro-géométrie. - Les causes racines du bruit fantôme. - La détection du bruit fantôme lors de !'engrènement. - La simulation de la rectification par génération des roues dentées... Ensuite, différentes méthodologies sont créées ou améliorées afin d'étudier l'effet des flancs de dents avec des défauts d'ondulations sur l'apparition du bruit fantôme : - Une nouvelle analyse de la micro-géométrie testée en production automobile ; - L'amélioration de la simulation de !'engrènement en prenant en compte des écarts d'ondulations sur les flancs des dents ; - La conception et la validation d'une machine de mesure de l'erreur de transmission sans charge pour corréler les résultats de la simulation
d'engrènement; - Une simulation cinématique de la rectification des dentures par génération avec la possibilité d'ajouter des défauts cinématiques et d'étudier leurs effets sur les flancs des dents usinées. Enfin, une importante campagne de tests réalisée avec un fabricant de machines de rectification de denture est présentée et les résultats sont construits en utilisant les méthodologies développées précédemment. Sur la base des résultats, des lignes directrices pour maîtriser le phénomène de bruit fantôme sont données.
 

De Rosalind Franklin au Covid-19 en passant par l’IA : la science intègre

L’histoire des sciences est jalonnée de découvertes brillantes, d’aventures fascinantes, de trajectoires personnelles hors du commun, mais également de scandales. L’une des atteintes les plus marquantes à l’éthique scientifique est celle de l’histoire de Rosalind Franklin et du cliché 51, mettant en évidence la structure à double hélice de l’ADN. Quelques années plus tard, Jocelyn Bell Burnell, astrophysicienne britannique, se voyait déposée du Prix Nobel pour la découverte des pulsars. Autour de ces deux femmes exceptionnelles, des scientifiques ont eu un comportement peu intègre. Cet entretien avec Bruno Allard, référent à l’intégrité scientifique de l’INSA Lyon, brosse le portrait du principe de l’éthique, socle de confiance pour que la science reste un outil pertinent au service du progrès et de l’innovation pour le bien commun.

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Et si on (re)mettait du Care au cœur de la technique ?

Comment accorder technique et valeurs du soin dans un monde « qui se veut de plus en plus soignant, mais qui se révèle être de moins en moins soigneux » ? Appliquées à la technique, les valeurs des éthiques du Care, fondées sur l’empathie et le soin mutuel, peuvent-elles contribuer à un monde plus soutenable ? Pour Jean-Philippe Pierron, cela ne fait aucun doute. Lors du 4ᵉ séminaire Let’s look up : Ingénierie et Recherche par le prisme du concept « One Health », le 28 novembre 2024, il a évoqué les moyens intellectuels et pratiques à mettre en œuvre pour rendre cela possible.
 

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Mob-Energy : un coup d’avance sur la recharge électrique

Folie d’étudiants ingénieurs, coup de poker ou bien véritable pari sur l’avenir ? Probablement un peu des trois à la fois. Quasiment dix ans après leur sortie des bancs de l’INSA Lyon, Salim El Houat, Ilyass Haddout et Maxime Roy, ont bel et bien transformé leur projet en réalité. Mob-Energy, société spécialisée dans le reconditionnement des batteries et la recharge de véhicules électriques, compte aujourd’hui une cinquantaine de collaborateurs, et s’est installée depuis janvier 2024 dans une toute nouvelle usine sur un site industriel à Vénissieux. L’article revient sur  cette success-story ambitieuse et visionnaire, avec l’un de ses fondateurs.
 

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Prothèses de membres : quand l’objet technique s’invite dans l’intimité des corps

Il existe aujourd’hui une grande diversité de prothèses, qui varient en matière de matériaux, de formes et d’usages. Mais comment ces dispositifs s’intègrent-ils réellement dans le quotidien, la mobilité et l’intimité de ceux et celles qui les portent ? L’appropriation de la prothèse, c’est-à-dire l’intégration aux sensations, aux mouvements et aux habitudes de vie, ne va pas toujours de soi.
Lucie Dalibert, chercheuse au laboratoire S2HEP, explore cette relation complexe entre les corps et les technologies, dans le cadre du projet de recherche « Amélioration du parcours d’appropriation des dispositifs prothétiques » (APADiP). 
 

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Maintenance prédictive d'un réducteur mécanique par analyse combinée électrique et thermique

Doctorant : Lionel DARUL

Laboratoire : Laboratoire LabECAM

École doctorale : ED162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Dans le contexte industriel actuel, la fiabilité et la performance des équipements sont des préoccupations majeures. Les transmissions à engrenages sont des éléments essentiels des systèmes mécaniques et sont - pour nombre d’applications industrielles - associées à un moteur électrique. Ces motoréducteurs sont soumis à des contraintes opérationnelles de plus en plus importantes, et leur défaillance peut entraîner des conséquences graves, tant en termes de sécurité que de coûts de maintenance. La maintenance prédictive émerge alors comme une stratégie essentielle afin de garantir leur bon fonctionnement en identifiant les signes avant-coureurs de défaillance et en planifiant de manière optimale les interventions de maintenance. L’objectif de cette étude est d’étudier le potentiel des approches thermique et électrique pour la maintenance prédictive d’un réducteur à engrenages. Afin de répondre au besoin industriel, ces travaux proposent une approche permettant de détecter et localiser des défauts en temps réel en utilisant un nombre limité de capteurs non intrusifs. Un banc d'essai a été développé à partir d'un treuil de l’entreprise REEL International pour étudier le comportement thermique d'un réducteur à quatre étages. Cette étude présente, dans un premier temps, une méthode pour créer un jumeau numérique thermique du réducteur. Un modèle hybride analytique-expérimental est proposé. Sa structure est basée sur l'approche des réseaux thermiques². Une procédure expérimentale est utilisée pour déterminer certains paramètres critiques du modèle, tel que le coefficient de frottement des dentures. Dans un second temps, la capacité de ce jumeau numérique thermique à réaliser la maintenance prédictive du réducteur est étudiée via l’introduction d’un défaut d’hélice et d’un défaut d’écaillage sur un des pignons. Dans un troisième temps, une étude du module du vecteur de Park des courants statoriques du moteur pour la détection des défauts est présentée en complément de l’approche thermique. Il résulte de cette étude que le jumeau numérique thermique est capable de prédire précisément le comportement thermique des composants du réducteur (roulements, carter, huile) en utilisant seulement quelques capteurs thermiques. Celui-ci permet la détection et la localisation d’un défaut géométrique à l’engrènement. L’étude du module de Park démontre quant à elle la pertinence de certains indicateurs ainsi que celle de combiner les deux approches pour la surveillance de la transmission.

Évolutions des régimes de travail industriel et mutations urbaines: L’exemple de l’entreprise Berliet et de l’agglomération lyonnaise : 1950-2020

Doctorante : Éléonore GENDRY

Laboratoire INSA : EVS

École doctorale : ED483 : ScSo (Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science Politique, Scociologie, Anthropologie)

Les relations entre l’activité et l’urbanisation sont aussi anciennes que l’existence des villes. Si ces liens ont particulièrement été étudiés pour les périodes du XIXe siècle et du début du XXe siècle, leur observation n’est que peu détaillée après-guerre. Or, l’industrie n’a jamais été aussi présente dans notre environnement dessinant des sociétés hyper- industrielles caractérisées par un continuum entre la production de biens et de services, la consommation de masse, les industries financières et culturelles, engendré par le développement du numérique. Pour saisir plus précisément les transformations urbaines héritées des évolutions de l’industrie, cette recherche s’intéresse aux mutations du travail ; ces dernières étant elles aussi liées aux changements industriels.
L’étude porte plus particulièrement sur l’usine de production de véhicules industriels Berliet implantée depuis 1917 sur les communes de Vénissieux et de Saint-Priest dans l’agglomération lyonnaise. Pour appréhender les mutations du travail au sein de cette entreprise, l’enquête s’intéresse à l’évolution de la production des moteurs Berliet entre 1950 et 2020 à l’aide des traces laissées par ces changements : journaux d’entreprise, correspondances, rapports et ouvrages spécialisés, plans ou encore photographies. Des entretiens menés auprès d’actuels ou d’anciens salariés de l’entreprise explicitent certaines traces lacunaires.
À l’issue de cette enquête, les transformations urbaines liées aux mutations du « travail industriel » s’observent autour de l’organisation et de la distribution de l’appareil productif, de l’habitat et des infrastructures de transport. Considérant l’observation de ces interdépendances entre l’industrie et la ville, il peut être avancé que des états urbano-industriels se distinguent au sein de l’agglomération lyonnaise simplifiés en deux morphologies urbaines idéales-typiques : l’une industrielle (1950-1973), l’autre hyper- industrielle (2000-2020). L’observation de ces états, caractérisés par des encastrements multiples entre industries, logements, infrastructures, etc., incite à concevoir les politiques industrielles comme une politique globale s’intéressant à l’activité productive, mais aussi aux questions du logement ou des déplacements.
 

Réduire les déchets, mutualiser les flux : planification et ordonnancement pour une écologie industrielle

Maître de conférences : Anne-Laure LADIER

Laboratoire INSA : DISP (Décision et Information pour les Systèmes de Production)Rapporteurs : Roberta COSTA AFFONSO, Ton DE KOK, Dominique FEILLET

Rapporteurs : Roberta COSTA AFFONSO, Ton DE KOK, Dominique FEILLET

Jury : 

Civilité	Nom et Prénom	Grade/Qualité	Établissement
M.	El-Houssaine AGHEZZAF	Professor	Ghent University
Mme	Gülgün ALPAN	Professeur des Universités	Grenoble INP – UGA
Mme	Valérie BOTTA-GENOULAZ	Professeur des Universités	INSA Lyon
Mme	Roberta COSTA AFFONSO	Professeur des Universités	ISAE-Supméca
M.	Ton DE KOK	Professor	Centrum Wiskunde & Informatica
M.	Dominique FEILLET	Professeur	Mines Saint-Etienne, LIMOS
M.	Jacques LAMOTHE	Professeur	IMT Mines Albi, Centre Génie Industriel
Mme	Claire VALENTIN	Professeur des Universités	Université Claude Bernard Lyon 1

Étude thermomécanique des émaux sur substrat verrier pour l'industrie automobile

Doctorant : Antoine LEJEUNE

Laboratoire INSA : MatéIS

École doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les émaux sont des revêtements inorganiques déposés à la surface du verre dans le but d’apporter une fonction d’opacification au vitrage. Ces revêtements sont des matériaux multi-phasés constitués de fritte de verre, de pigments noirs inorganiques et dans certains cas de charges minérales. Les traitements thermiques appliqués au verre émaillé sont connus pour générer des défauts liés à la présence d’émail : fragilisation mécanique du substrat, genèse de défauts optiques. La compréhension des interactions physico- chimiques entre le substrat verrier et le revêtement d’émail est indispensable afin de limiter ces défauts. Dans ce sens, trois émaux chimiquement différents ont été sélectionnés. La combinaison d’une approche locale et globale des évolutions microstructurales de ces émaux, complémentée par une approche in-situ a été développée. L’analyse a mis en évidence la présence de différents systèmes de fritte verrière, dont un cristallisant en température, à l’origine de l’inhibition du frittage de la couche d’émail. Un protocole de mesure de la contrainte moyenne dans la couche d’émail déposée sur un substrat inerte de silicium a été développé. Cette méthode a montré que l’émail se comportait de manière viscoélastique au-dessus de sa transition vitreuse, au-delà de laquelle la contrainte moyenne dans le revêtement relaxe entièrement. Au refroidissement, les contraintes se régénèrent à une température qui dépend de la fraction volumique de phases rigides, fonction du taux de cristallisation. Ainsi, un réseau percolant se forme et domine l’écoulement visqueux de la matrice vitreuse. Finalement, les interactions chimiques ont été étudiées en déposant l’émail sur substrat verrier. Les résultats ont mis en évidence un échange Li↔Na dont la profondeur dans le verre est proportionnelle à la déformation du verre émaillé à iso-température. Ces travaux ont mis en évidence l’effet des transformations structurales et de la composition chimique de l’émail sur son comportement thermomécanique et rhéologique.

Matrix-free weighted quadrature isogeometric analysis applied to thermal and mechanical simulations

Doctorant : Joaquin Eduardo CORNEJO FUENTES

Laboratoire INSA : LaMCoS

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Ce travail explore le potentiel de l'Analyse Isogéométrique (IGA) pour améliorer les simulations numériques industrielles, en particulier pour le transfert de chaleur et l'élastoplasticité. Bien que la méthode des éléments finis soit couramment utilisée en ingénierie, elle présente des limites de précision et d'efficacité, surtout pour les géométries complexes. L'IGA, en intégrant des techniques avancées comme les méthodes sans matrice, à quadrature pondérée et fast-diagonalization, pourrait offrir une alternative plus précise et efficace. Cette étude démontre l'application de ces méthodes à des équations aux dérivées partielles elliptiques, ainsi que pour des problèmes qui évoluent au cours du temps. Une approche espace-temps pour les problèmes paraboliques non linéaires est également proposée, montrant des performances supérieures aux méthodes actuelles. Cependant, des défis subsistent pour appliquer ces méthodes à des géométries plus complexes et à des applications industrielles à grande échelle. Ce travail ouvre des perspectives pour des simulations plus rapides et fiables, remettant en question les pratiques traditionnelles en ingénierie computationnelle.

« Méthode d’aide au déploiement du système cyber-physique flexible et reconfigurable dans le contexte de l’industrie 4.0 »

Doctorant : Anthony CHEHAMI

Laboratoire INSA : LIRIS

École doctorale : ED512 Infomaths (Informatique et Mathématiques de Lyon)

Cette thèse s'inscrit dans un contexte industriel en perpétuelle évolution, caractérisé par l'émergence de l'Industrie 4.0. Elle prend pour cadre l'usine FPT de Bourbon-Lancy (FPT-BLY), spécialisée dans la production de moteurs lourds pour véhicules. Face au défi d'intégrer le nouveau moteur XC13 dans des lignes de production existantes tout en maintenant la fabrication de produits actuels. Ce cas d’étude illustre l'importance de la flexibilité et de la reconfigurabilité industrielles pour maintenir la compétitivité.
L'objectif principal de cette recherche est de développer une méthode optimale pour implémenter des systèmes de production flexibles et reconfigurables, en réponse aux défis de l'Industrie 4.0. En effet, cette révolution industrielle apporte de nouvelles méthodologies rendues possibles par les technologies avancées. La thèse se concentre sur les piliers 4.0 concernant la capacité d'auto- ajustement et d'auto-configuration du système, qui requièrent une flexibilité importante pour être efficaces et opérationnelles.
Les contributions de cette thèse s'articulent autour de l'identification, la mesure et l'optimisation de la flexibilité dans les systèmes de production. Nous avons identifié et proposé des méthodes originales de mesure individuelles pour évaluer les différents types de flexibilité et a également développé une méthode pour mesurer l'interdépendance entre ces types de flexibilité. L'objectif est d'obtenir une valeur agrégée des différentes flexibilités, afin de faciliter la prescription d’une décision optimale en cas de reconfiguration du système. Enfin, nous avons développé un modèle d’optimisation mathématique permettant d’identifier la meilleure solution d’investissement afin d’atteindre le niveau de flexibilité approprié, et de ce fait, déterminer la feuille de route de déploiement de la flexibilité. Nous avons dû explorer une grande quantité de données et d'informations de l’entreprise pour la partie expérimentation et validation de ces modèles proposés. Enfin, l'ensemble de ces propositions ont été appliqué à l'usine FPT-BLY, dans le cadre de l'intégration du nouveau moteur XC13.

 

Caractérisation vibratoire de structures par méthodes inverses et mesures plein champ

Doctorant : Nicolas Madinier

Laboratoire INSA : LVA

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Le développement de nouveaux matériaux alliant résistance mécanique et légèreté est un enjeu d'actualité dans de nombreux secteurs industriels. Afin de pouvoir utiliser ces matériaux, il est nécessaire de connaître leurs propriétés mécaniques. Pour les déterminer, des méthodes inverses analysant le comportement vibratoire de la structure peuvent être utilisées. Dans ce travail de thèse, deux méthodes sont utilisées : la Résolution Inverse (RI) et la Méthode des Champs Virtuels (MCV).
Dans un premier temps, les méthodes sont appliquées avec la déflectométrie optique, une méthode de mesure plein champ. L'utilisation de cette méthode de mesure avec les deux méthodes inverses permet d'obtenir des cartographies précises de la rigidité de flexion et de l'amortissement de la structure étudiée. La déflectométrie optique mesure les pentes du champ de déplacement. Une opération de gradient inverse permet de remonter au champ de déplacement. Afin de supprimer cette opération, le développement de formalismes sur les pentes de RI et de la MCV est proposé. Ces formalismes sont testés avec des simulations numériques puis une étude expérimentale est présentée.
Dans un second temps, une variante de la MCV est développée. Cette variante a pour but d'appliquer la méthode en hautes fréquences où RI et la MCV ne sont plus applicables. La Résolution Inverse Corrigée est une variante de RI qui a pour but d’appliquer la méthode dans les hautes fréquences.
La variante de la MCV qualifiée de Méthode des Champs Virtuels Adaptée en Fréquence consiste à déterminer à chaque fréquence la taille de l’intervalle d’intégration des intégrales du Principe des Travaux Virtuels (une forme faible de l'équilibre local sur laquelle se base la MCV). Elle est développée pour la poutre d'Euler-Bernoulli et la plaque de Love-Kirchhoff et est testée sur des données expérimentales pour identifier la rigidité de flexion complexe d'une plaque amortie localement.