Intégration de fibres optiques dans des pièces issues de procédés de fabrication additive métallique

Integration of optical fiber sensor into parts resulting from additive metal manufacturing processes

• Auteur / Autrice : Quentin Pouille
• Direction : Pascal Aubry, Sylvain Girard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/SRMA - Service de Recherches Métallurgiques Appliquées
• Partenaire(s) de recherche : référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Tournier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Mégret, Philippe Bertrand, Matthieu Schneider, Laurence Bodelot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Mégret, Philippe Bertrand

Mots clés

Mots clés libres

Fibres optiques

Fabrication additive métallique

Intégration

Capteurs

Slm

Optical fiber

Additive manufacturing

Embedding

Sensor

Slm

Résumé

Cette thèse se concentre sur le contexte de la recherche dans le démantèlement nucléaire. Dans un premier temps une méthodologie générique d'insertion de capteur à fibres optiques dans des pièces issues de la fabrication additive métallique a été développée. Une fois la pièce instrumentée obtenue, deux approches sont envisageables. La première approche implique l'analyse du signal renvoyé par le capteur à fibre optique après l'insertion, dans le but d'évaluer sa qualité et son utilité. La deuxième approche repose sur la caractérisation physique du matériau. En combinant ces deux approches, il est alors possible d'optimiser le procédé d'insertion du capteur en fonction des différents résultats. L'objectif final de cette première partie étant de rendre envisageable l'insertion d'un capteur à fibres optiques dans une pièce fabriquée par impression 3D en métal sans altérer les propriétés du matériau, tout en assurant l'acquisition précise de signaux optiques pour surveiller les paramètres physiques. La deuxième partie a pour but de mettre en application l'intégration de capteur à fibre optique en fabrication additive décrite dans la partie précédente. Trois applications distinctes ont été choisies, la première concerne les amortisseurs de choc instrumentés pour le stockage des déchets radioactifs. Une solution d'amortisseur métallique architecturée et instrumenté a été développé afin de garantir un stockage et un transport plus sûrs des déchets radioactifs, que ce soit à court ou à long terme. L'instrumentation de ces amortisseurs de chocs par réseau de Bragg montrent un suivi en ligne à de haute température 400 °C, et la possibilité de détecter des chocs plus ou moins fort en fonction de la position du capteur dans la structure. La deuxième application concerne la discrimination des rayonnements neutrons et gamma, il est fréquent que le rayonnement neutronique s'accompagne du rayonnement gamma. Les détecteurs couramment employés ne permettent généralement pas de distinguer efficacement ces deux types de rayonnements. Afin de répondre à ce besoin un détecteur a été mis au point, ce dernier repose sur l'utilisation de matériaux à forte section efficace d'absorption neutronique et de fibres optiques capables de mesurer les pertes en fonction de la dose ionisante reçue. L'objectif de l'application est d'intégrer deux fibres optiques dans de l'acier qui contient un élément à forte section efficace d'absorption. L'idée est d'avoir deux fibres optiques positionnées à deux endroits différents au sein de cette pièce d'acier, de manière à ce qu'une des fibres soit exposée aux rayonnements neutron/gamma tandis que l'autre ne soit exposée qu'aux rayonnements gamma. La discrimination des rayonnements se fera ensuite par l'acquisition des signaux des fibres optiques. Finalement la dernière application est tournée vers le futur avec l'instrumentation d'un tokamak W/Cu pour la fusion nucléaire. En condition d'utilisation, ces monoblocs ont tendances à se fissurer. Les designs actuels bien que fonctionnels présentent donc des limites, dans le cadre de cette thèse un intérêt a été porté sur cette technologie, car cette dernière peut s'avérer pérenne et massivement utilisée dans le futur. Suite à la fabrication de l'assemblage W/Cu instrumenté, la fibre optique intégré a mesurée de manière répartie des températures jusqu'à 800 °C à l'intérieur de l'assemblage. Pour conclure, cette thèse montre la possibilité d'intégrer une multitude de capteur à fibres optiques dans des pièces issues de la fabrication additive métallique. Chaque pièce peut être instrumentée avec un type de capteur afin de renvoyer des informations sur son fonctionnement durant tout son cycle de vie. De plus, le champ des applications pour les pièces métalliques est large (aéronautique, automobile, énergétique, spatial, production, stockage...), ainsi que les mesures pouvant être effectuées (Température, déformation, dose et débit de dose).

This thesis focuses on the context of nuclear decommissioning research. In the first part, a generic methodology for integrating optical fiber sensors into components from metal additive manufacturing was developed. Once the instrumented piece is obtained, two approaches are possible. The first approach involves analyzing the signal returned by the optical fiber sensor after insertion to evaluate its quality and usefulness. The second approach is based on the physical characterization of the material. By combining these two approaches, it is possible to optimize the optical fiber sensor insertion process based on different results. The ultimate goal of this first part is to make it feasible to insert an optical fiber sensor into a metal 3D-printed piece without altering the material's properties while ensuring accurate acquisition of optical signals to monitor physical parameters. The second part aims to apply the integration of optical fiber sensors in additive manufacturing described in the previous section. Three distinct applications have been chosen. The first one involves instrumented shock absorbers for the storage of radioactive waste. An architectured and instrumented metallic shock absorber solution has been developed to ensure safer storage and transport of radioactive waste, both in the short and long term. Instrumenting these shock absorbers with Bragg grating networks allows for high-temperature online monitoring at 400°C and the ability to detect impacts of varying strength depending on the sensor's position in the structure. The second application concerns the discrimination of neutron and gamma radiation. It is common for neutron radiation to be accompanied by gamma radiation. The detectors commonly used generally do not effectively distinguish between these two types of radiation. To meet this need, a detector has been developed, which relies on the use of materials with a high effective neutron absorption cross-section and optical fibers capable of measuring losses based on the received ionizing dose. The goal of the application is to integrate two optical fibers into steel containing a high-effective neutron absorption element. The idea is to have two optical fibers positioned at two different locations within this piece of steel, so that one of the fibers is exposed to neutron/gamma radiation while the other is exposed only to gamma radiation. Radiation discrimination will then be done through the acquisition of signals from the optical fibers. Finally, the last application is oriented towards the future with the instrumentation of a W/Cu tokamak for nuclear fusion. In operating conditions, these monoblocks tend to crack. Current designs, while functional, have limitations. In the context of this thesis, interest has been focused on this technology because it could prove to be sustainable and widely used in the future. Following the manufacture of the instrumented W/Cu assembly, the integrated optical fiber measured temperatures up to 800°C inside the assembly. In conclusion, this thesis demonstrates the possibility of integrating a multitude of optical fiber sensors into components derived from metal additive manufacturing. Each piece can be instrumented with a type of sensor to provide information on its operation throughout its lifecycle. Moreover, the field of applications for metal parts is broad (aerospace, automotive, energy, space, production, storage, etc.), as are the measurements that can be performed (temperature, deformation, dose, and dose rate).