identifier: Chamanara, N. (2015). Dispositifs électromagnétiques non réciproques à base de graphène  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le graphène est une couche monoatomique d'atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d'abeilles. Ce matériau a été produit la première fois en 2004 par un groupe de l'Université de Manchester. Des expérimentations suivantes sur le graphène, ont révélé des propriétés électromagnétiques, mécaniques et thermiques inhabituelles. Ces propriétés sont le résultat de sa structure de bande d'énergie unique, linéaire et sans zones interdites, dite cône de Dirac. En raison de sa structure de bande d'énergie, le graphène présente des propriétés métalliques. Par conséquent, comme les métaux et les gaz d'électrons 2D, il soutient une oscillation collective des charges de surface appelées plasmons de surface. L'onde électromagnétique produite par les plasmons de surface est étroitement lié à la surface et sa longueur d'onde est fortement comprimé par rapport à la longueur d'onde d'espace libre. Lorsque elle sont polarisé par un champ magnétique perpendiculaire, ces oscillations collectives des charges de surface sont appelés magnétoplasmons. Les Magnétoplasmons peuvent briser la symétrie du renversement du temps et présentent propriétés non réciproques. Par conséquent, ils se comportent différemment, pour des directions opposées de propagation. Dans cette thèse, nous adaptons le graphène pour la conception de dispositifs magnétoplasmoniques non réciproques, tels que des isolateurs et des déphaseurs non réciproques. Un isolateur est un dispositif qui permet la propagation dans un seul sens. Un déphaseur non réciproque produit des déphasages différents pour des directions opposées de propagation. Nous considérons les dispositifs fonctionnant dans les fréquences térahertz. Le domaine térahertz est devenu attrayant au cours des dernières années pour ses bienfaits dans diverses applications telles que l'imagerie, les études biologiques, l'exploration spatiale, les communications à courte portée et les radars compacts. Cependant, la conception des sources, des dispositifs et des composants électromagnétiques classiques dans cette bande de fréquence de 300 GHz à 30 THz est un grand défi. Les dispositifs magnétoplasmoniques non réciproques à base de graphène présentées dans cet ouvrage peuvent en général opérer dans le térahertz, l'infrarouge et les fréquences optiques. Nous démontrons théoriquement un coupleur non réciproque, déphaseur non réciproque et isolateur à base de graphène opérant dans le régime térahertz. Avec la vaste recherche axée autour de la production de feuilles de graphène de haute qualité, les dispositifs non réciproques proposées peuvent servir de bonnes solutions pour les dispositifs non-réciproques dans le régime de térahertz.  ABSTRACT: Graphene is a monoatomic layer material made of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice. This material was first produced in 2004 by a group in the University of Manchester. Following experiments on graphene, revealed its unusual electromagnetic, mechanical and thermal properties. These properties are a result of its unique, linear and gapless energy band structure, called the Dirac cone. As a result of its band structure, graphene exhibits metallic properties. Therefore like metals and 2D electron gases it supports collective oscillation of surface charges called surface plasmons. The electromagnetic wave produced by surface plasmons are tightly bound to the surface and its wavelength is highly compressed, compared to the free space wavelength. When biased by a normal magnetic field, these collective oscillation of surface charges are called magntoplasmons. Magnetoplasmons can break time reversal symmetry and exhibit non-reciprocal properties. Therefore, they behave differently for opposite directions of propagation. In this thesis we tailor graphene for the design of non-reciprocal magnetoplasmonic devices, such as isolators and non-reciprocal phase shifters. An isolator is a device that permits propagation only in one direction. A nonreciprocal phase shifter produces different phase shifts for opposite directions of propagation. We consider devices operating at terahertz frequencies. The terahertz band has become attractive in recent years for its benefits in applications such as imaging, biological studies, space exploration, short range communication and compact radars. However the design of conventional electromagnetic sources, devices and components in this frequency band is a big challenge. The graphene non-reciprocal magnetoplasmonic devices presented in this work can in general operate in the terahertz, infrared and optical frequencies. We theoretically demonstrate graphene-based non-reciprocal coupler, phase shifter and isolator operating in the terahertz regime. With the extensive research focused around producing high quality graphene sheets, the proposed non-reciprocal devices may serve as good alternatives for non-reciprocal devices in the terahertz regime.


identifier: Ménard, A.-L. (2015). Application suivie du retrait de compression statique versus dynamique in vivo chez le rat : effets sur la croissance osseuse et le disque intervertébral  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: L'environnement mécanique est essentiel pour permettre la croissance normale des os longs et vertèbres. À l'inverse, les chargements mécaniques peuvent aussi entrainer la progression de déformations musculosquelettiques pédiatriques, comme la scoliose idiopathique adolescente, une déformation tridimentionnelle du rachis. Plus spécifiquement, le principe de modulation mécanique de la croissance indique que l'augmentation de compression ralentit la croissance alors que la réduction de compression l'accélère. De nouvelles approches sans fusion pour le traitement des jeunes patients avec des scolioses précoces sévères ou idiopathiques adolescentes modérées sont basées sur ce principe et exploitent le potentiel de croissance restant des patients pour corriger les déformations. Ces approches sont dites sans fusion entre les niveaux vertébraux adjacents car elles évitent d'enlever les disques, comme dans les chirurgies standard avec instrumentation, permettant ainsi de maintenir la mobilité rachidienne. Or, comme les patients peuvent avoir un potentiel de croissance résiduel après correction de leurs déformations et retrait des implants, il convient de s'assurer que ce potentiel de croissance demeure actif après la fin du traitement. Des études in vivo ont montré que les chargements dynamiques préservaient davantage la plaque de croissance. Cependant, aucune étude in vivo n'a caractérisé la modulation de croissance suite à différents profils de chargements dynamiques. Par ailleurs, la reprise possible de croissance suite au retrait de compression contrôlée n'a jamais été investiguée. De plus, les chargements mécaniques sont également un des facteurs contribuant à la dégénérescence discale. Il devient donc d'intérêt d'investiguer la réponse mécanobiologique du disque intervertébral sous une compression visant la modulation de croissance souhaitée par les traitements sans fusion du rachis. L'objectif général de ce projet consiste à appliquer in vivo, avec le modèle du rat, une modulation de croissance osseuse contrôlée et à vérifier si l'intégrité tissulaire et fonctionnelle de la plaque de croissance et du disque intervertébral est préservée suite à l'application de différents profils de compressions statiques et dynamiques et ce, immédiatement suite au chargement et également suite à une période subséquente de retrait du chargement. Tout d'abord, une première étude expérimentale a été réalisée sur des rats répartis en cinq groupes : contrôle, sham (0 MPa), dynamique à haute fréquence (0.2 MPa ± 30% à 1.0 Hz), dynamique à haute amplitude (0.2 MPa ± 100% à 0.1 Hz), et dynamique avec hautes fréquence et amplitude (0.2 MPa ± 100% à 1.0 Hz). Un appareil de micro-chargement a été implanté pour transmettre les compressions à la 7ème vertèbre caudale, pendant 15 jours. Les taux de croissance, la hauteur totale de la plaque de croissance et de ses zones, la hauteur des chondrocytes hypertrophiques et la densité linéaire de la zone proliférative ont ensuite été mesurés et comparés entre les groupes. Les résultats montrent que la modulation mécanique de croissance est contrôlée par la contrainte moyenne. En effet, le taux de croissance a diminué similairement de 22.4% et 23.0%, respectivement pour les dynamiques avec augmentation de fréquence ou bien d'amplitude comparé aux shams. Les hauteurs totales et des zones des plaques de croissance ainsi que la hauteur moyenne des chondrocytes hypertrophiques et la densité linéaire de chondrocytes prolifératifs sont demeurés similaires entre shams et dynamiques avec augmentation de fréquence ou bien d'amplitude.  ABSTRACT: Mechanical loading is essential for normal bone growth of long bones and vertebrae. Conversely, mechanical loading can also lead to the progression of pediatric musculoskeletal deformities, such as adolescent idiopathic scoliosis, a three-dimensional spinal deformity. More specifically, the principle of the mechanical modulation of bone growth states that increasing compression reduces bone growth, while reducing compression accelerates it. Novel fusionless approaches for the treatment of pediatric patients with severe early onset scoliosis or moderate adolescent idiopathic scoliosis are based on this principle and exploit the remaining growth potential of patients to correct deformities. These approaches are fusionless since they avoid adjacent vertebral fusion and disc retrieval, as in standard surgery procedures using heavy instrumentation, and therefore maintain spinal mobility. However, since patients can still have remaining growth potential after correction of their deformities and implant removal, it is important to ensure that this growth potential remains active post-treatment. In vivo studies have shown that dynamic loading would better preserve growth plate tissue. However, no in vivo study has investigated growth modulation following several dynamic loading conditions or possible growth resumption after removing controlled loading. In addition, mechanical loading contributes to disc degeneration. It is therefore of interest to investigate the mechanobiological response of the intervertebral disc under compression used for fusionless treatments applications to modulate growth. The overall objective of this project is to apply in vivo controlled bone growth modulation using the rat tail model in order to verify if the integrity of growth plate and intervertebral disc tissues and their functionalities is preserved following different profiles of static and dynamic compression, immediately following loading, and after a period of unloading. First, an experimental study was conducted on rats divided into five groups: control, sham (0 MPa), dynamic at high frequency (0.2 MPa ± 30% at 1.0 Hz), dynamic with high magnitude (0.2 MPa ± 100% at 0.1 Hz), and dynamic with both high frequency and magnitude (0.2 MPa ± 100% at 1.0 Hz). A micro-loading device was implanted to apply compression to the 7th caudal vertebra for 15 days. Growth rates, growth plate total height and zone height, hypertrophic chondrocyte height and linear density in the proliferative zone were measured and compared between groups. Results show that mechanical modulation of bone growth is controlled by the average stress value. Growth rate was similarly reduced by 22.4% and 23.0%, respectively for the dynamic group with increased frequency or magnitude compared with shams. Growth plate total height and zone height, as well as hypertrophic chondrocyte mean height and linear density of proliferative chondrocytes remained similar between the sham and dynamic group with either increased frequency or magnitude. However, the combination of increased frequency and magnitude lead to infection, suggesting that the resulting stress on tissues exceeded the theoretical mean stress value (0.2 MPa) as well as the tissue adjustment capacity. A second experimental study was conducted on rats distributed in two groups (2 weeks and 4 weeks), each of them containing four subgroups: control, sham (0 MPa), static (0.2 MPa) and dynamic (0.2 MPa ± 30% at 0.1 Hz). In the 2 week group, rats sustained 15 days of compression, while rats in the 4 week group received 15 days of compression followed by 10 days of unloading prior to euthanasia.


identifier: Aramesh, M. (2015). Machinability of Titanium Metal Matrix Composites (Ti-MMCs)  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les composites à matrices métalliques de titane (Ti-MMCs), en tant que nouvelle génération de matériaux, ont plusieurs applications potentielles dans les domaines industriels de l'aérospatiale, et l'automobile. La présence de particules de céramique améliore les propriétés mécaniques et physiques de la matrice. Cependant, ces particules sont dures et abrasives par leur nature, ce qui cause de multiples difficultés pour leur usinabilité. L'usure sévère des outils ainsi que la vie utile très brève de ceux-ci représentent les inconvénients les plus importants de leur usinabilité. La littérature indique très peu d'études concernant leur usinabilité, en particulier pour l'estimation de la durée de vie utile et de l'usure des outils de coupe. Les outils de diamant polycristallin (PCD) semblent être le meilleur choix pour usiner les MMCs du point de vue des chercheurs. Malgré ceci, en raison de leur coût élevé, des alternatives abordables sont fort souhaitables. Les plaquettes de nitrure de bore cubique (CBN) demeurent les outils les plus durs après celles de PCD, démontrent d'excellentes qualités dont une grande résistance à l'usure, une bonne dureté à température élevée, un bas coefficient de friction et une température de fusion élevée. Toutefois, les outils de CBN n'ont pas encore été étudiés dans le contexte de l'usinage des Ti-MMCs. La présente étude élabore en profondeur les mécanismes d'usure des plaquettes de CBN durant le tournage des Ti-MMCs. La morphologie unique des faces usées des outils a été étudiée pour la première fois, menant à une nouvelle compréhension dans l'identification des mécanismes d'usure chimiques durant l'usinage des Ti-MMCs. De plus, la pleine exploitation de la vie utile des outils de coupe est critique en raison des dépenses importantes liées au remplacement non-optimal des outils de coupe. Ceci encourage fortement le développement d'une modèle fiable pour l'estimation de la vie utile pour toutes conditions de coupe. Cette étude élabore une nouvelle méthode découlant de la méthodologie d'analyse de survie (survival analysis) pour estimer les états d'usures successives des outils pour toutes conditions d'usinage des Ti-MMCs. Ce modèle statistique prend en compte la durée de l'usinage en plus des effets des paramètres de coupe. De cette manière, les résultats obtenus ont démontré un excellent accord avec les résultats expérimentaux. De surcroît, un modèle plus avancé a été développé en rajoutant l'usure des outils comme variable au modèle précédent. Il en sort un nouveau modèle proposé pour estimer la durée de vie utile restante des plaquettes usées pour des conditions d'usinage variables, en incluant l'usure actuelle des outils dans les données d'entrée. Les résultats de ce modèle ont été validés par expérimentation et le modèle concorde très bien avec les essais expérimentaux.  ABSTRACT: Titanium metal matrix composites (Ti-MMCs), as a new generation of materials, have various potential applications in aerospace and automotive industries. The presence of ceramic particles enhances the physical and mechanical properties of the alloy matrix. However, the hard and abrasive nature of these particles causes various issues in the field of their machinability. Severe tool wear and short tool life are the most important drawbacks of machining this class of materials. There is very limited work in the literature regarding the machinability of this class of materials especially in the area of tool life estimation and tool wear. By far, polycrystalline diamond (PCD) tools appear to be the best choice for machining MMCs from researchers' point of view. However, due to their high cost, economical alternatives are sought. Cubic boron nitride (CBN) inserts, as the second hardest available tools, show superior characteristics such as great wear resistance, high hardness at elevated temperatures, a low coefficient of friction and a high melting point. Yet, so far CBN tools have not been studied during machining of Ti-MMCs. In this study, a comprehensive study has been performed to explore the tool wear mechanisms of CBN inserts during turning of Ti-MMCs. The unique morphology of the worn faces of the tools was investigated for the first time, which led to new insights in the identification of chemical wear mechanisms during machining of Ti-MMCs. Utilizing the full tool life capacity of cutting tools is also very crucial, due to the considerable costs associated with suboptimal replacement of tools. This strongly motivates development of a reliable model for tool life estimation under any cutting conditions. In this study, a novel model based on the survival analysis methodology is developed to estimate the progressive states of tool wear under any cutting conditions during machining of Ti-MMCs. This statistical model takes into account the machining time in addition to the effect of cutting parameters. Thus, promising results were obtained which showed a very good agreement with the experimental results. Moreover, a more advanced model was constructed, by adding the tool wear as another variable to the previous model. Therefore, a new model was proposed for estimating the remaining life of worn inserts under different cutting conditions, using the current tool wear data as an input. The results of this model were validated with the experimental results. The estimated results were well consistent with the results obtained from the experiments.


identifier: Givi, M. (2015). Compensation of Relevant and Compensable Volumetric Errors for Five-Axis Machine Tools Based on Differential Kinematics  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les erreurs géométriques d'une machine-outil ont un impact direct sur la précision des pièces usinées. Cette thèse traite de la compensation d'erreur des machines-outils CNC à cinq-axe. Dans la première phase, une formulation générale de l'erreur volumétrique et un système de compensation hors ligne sont proposés pour améliorer la précision de la pièce. En utilisant la cinématique des corps rigides et les paramètres d'erreur estimés de la machine, les commandes de position de la machine contenues dans un code G standard sont utilisées pour calculer l'erreur de position de l'outil. Le Jacobien, exprimant le différentiel entre l'espace articulaire et l'espace cartésien, est également développé et utilisé pour calculer les modifications de commande articulaire de telle sorte que l'effet des erreurs de la machine peut être annulé par de petits changements directement sur le code G. Lorsque la compensation est implémentée, sa validation est requise. Des machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) ou d'autres dispositifs de mesure externes sont couramment utilisés pour mesurer la précision de la pièce usinée à des fins de validation. Dans ce travail, une série de tests de défauts surfaciques issus de l'usinage sont proposés pour comparer la précision d'usinage avant et après la compensation en utilisant des mesures sur machine seulement. Les écarts sur les surfaces produites découlent de l'erreur volumétrique et proviennent d'erreurs géométriques spécifiques de la machine qui sont mesurées en utilisant un palpeur placé sur la machine erronée elle-même. L'effet de la stratégie de compensation est ensuite validé en comparant l'écart entre les surfaces avec usinage compensé et non compensé. Les résultats des mesures sont compatibles avec les valeurs d'erreur volumétrique prévues et montrent une amélioration de la précision (réduction de décalage) d'environ 90% après compensation. Finalement, deux nouvelles notions, la pertinence de l'erreur et l'aptitude à la compenser, sont introduites et quantifiées pour la machine-outil. La compensation des erreurs pertinentes et compensables seulement conduit à une compensation optimisée dans laquelle des modifications de commandes minimales mais efficaces sont faites. Une pièce est conçue spécialement pour le test, contenant des caractéristiques communes est usinée, en utilisant les cinq axes d'usinage simultanément, pour la validation expérimentale. Les résultats de simulation montrent jusqu'à 75% de réduction dans la 1-norme des compensations linéaires et angulaires alors que les erreurs pertinentes demeurent efficacement corrigées.  ABSTRACT: Machine tool geometric errors directly impact on the accuracy of machined parts. This thesis addresses the error compensation in five-axis CNC machine tools. In the first phase, a general volumetric error formulation and an off-line compensation scheme are proposed to improve part accuracy. Using rigid body kinematics and estimated machine error parameters, the machine position commands contained in a standard G-code are used to calculate the tool erroneous location. The Jacobian, expressing the differential joint space to Cartesian space relationship, is also developed and used to calculate minute joint command modifications so that the effect of machine errors can be canceled by making small changes directly to the G-code. When compensation is implemented, its validation is sought. Coordinate measuring machines (CMM) or other external measurement devices are commonly used to measure the accuracy of the machined part for validation purpose. In this work, a series of surface mismatch producing machining tests are proposed to compare the machining accuracy before and after the compensation using only on-machine measurements. The produced surface mismatches that represent the volumetric error and come from specific machine geometric errors are measured using touch probing by the erroneous machine itself. The effect of the compensation strategy is then validated by comparing the surface mismatch value for compensated and uncompensated slots. The measurement results are compatible with the predicted volumetric error values and show an accuracy improvement (mismatch reduction) of about 90 % after compensation for the machine tested. Finally, two new notions, error relevance and error compensability, are introduced and quantified. Compensation of only relevant and compensable errors leads to an optimized compensation in which minimal but effective command modifications are made. A specially designed test part containing common features is machined, using up to five-axis simultaneous machining, for the experimental validation. Simulation results show up to 75% reduction in the 1-norm of the linear and angular compensations while the relevant errors are still effectively corrected.


identifier: Greiner, N. (2015). Prise en compte d'un couplage fin neutronique - thermique dans les calculs d'assemblage pour les réacteurs à eau pressurisée  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La simulation des coeurs des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) est assurée par des codes informatiques qui permettent, sous certaines hypothèses, de calculer de façon approchée les grandeurs physiques d'intérêt comme le facteur de multiplication effectif, la nappe de puissance ou la distribution de température. Le schéma de calcul en neutronique repose sur trois grandes étapes : — la production d'une bibliothèque isotopique de sections efficaces ; — la production d'une base de données réacteur grâce au calcul d'assemblage ; — le calcul de coeur au complet. Dans le calcul d'assemblage, où l'équation du transport de Boltzmann est résolue sur une géométrie assemblage, la distribution de température est uniforme et constante en irradiation. Ceci constitue un ensemble d'approximations puisque, d'une part, la distribution de température dans l'assemblage n'est pas uniforme (forts gradients de température dans les crayons combustible, disparités entre les crayons) et d'autre part les propriétés thermiques des crayons évoluent sous l'effet de l'irradiation et modifient la distribution de température. L'objectif de nos travaux est d'implémenter un couplage neutronique-thermomécanique dans le calcul d'assemblage pour modéliser finement la distribution de température et d'en étudier les effets. L'étude est menée en utilisant le code APOLLO2 du CEA (Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives) pour la neutronique et le code C3THER d'EDF (Électricité De France) pour la thermique crayon. On montre que les effets du couplage à l'échelle du crayon combustible sont très faibles en comparant l'utilisation d'un profil de température et l'utilisation d'une température uniforme sur des combustibles de type UOX et MOX. Le couplage est porté à l'échelle de l'assemblage et on s'intéresse à la contre-réactivité thermique en présence de grandes lames d'eau à temps 0 sur un combustible de type UOX. On y montre une très faible influence sur le calcul du facteur de point chaud. Enfin, le couplage est introduit dans le calcul d'évolution et on montre que les écarts sur la réactivité et les concentrations isotopiques restent faibles bien que non négligeables pour des combustibles de type UOX et MOX. Le comportement particulier des crayons gadoliniés pour un combustible de type UO2Gd2O3 est mis en exergue.  ABSTRACT: Core simulations for Pressurized Water Reactors (PWR) is insured by a set of computer codes which allows, under certain assumptions, to approximate the physical quantities of interest, such as the effective multiplication factor or the power or temperature distributions. The neutronics calculation scheme relies on three great steps : — the production of an isotopic cross-sections library ; — the production of a reactor database through the lattice calculation ; — the full-core calculation. In the lattice calculation, in which Boltzmann's transport equation is solved over an assembly geometry, the temperature distribution is uniform and constant during irradiation. This represents a set of approximations since, on the one hand, the temperature distribution in the assembly is not uniform (strong temperature gradients in the fuel pins, discrepancies between the fuel pins) and on the other hand, irradiation causes the thermal properties of the pins to change, which modifies the temperature distribution. Our work aims at implementing and introducing a neutronics-thermomechanics coupling into the lattice calculation to finely discretize the temperature distribution and to study its effects. To perform the study, CEA (Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives) lattice code APOLLO2 was used for neutronics and EDF (Électricité De France) code C3THER was used for the thermal calculations. We show very small effects of the pin-scaled coupling when comparing the use of a temperature profile with the use of an uniform temperature over UOX-type and MOX-type fuels. We next investigate the thermal feedback using an assembly-scaled coupling taking into account the presence of large water gaps on an UOX-type assembly at burnup 0. We show the very small impact on the calculation of the hot spot factor. Finally, the coupling is introduced into the isotopic depletion calculation and we show that reactivity and isotopic number densities deviations remain small albeit not negligible for UOX-type and MOX-type assemblies. The specific behavior of gadolinium-stuffed fuel pins in an UO2Gd2O3-type assembly is highlighted.


identifier: Mahmud, A. (2015). Design of a Grasping and Machining end Effector for Thin Aluminium Panel  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de recherche a pour principal objectif l'usinage par fraisage mécanique de poches dans des panneaux minces d'avion. Cette opération sera effectuée en utilisant un robot manipulateur. L'une des exigences clés de cette recherche est de maintenir l'épaisseur restante du panneau à ± 0,002 pouces (± 0,050 mm). Compte tenu d'une variation de 5% de l'épaisseur initiale accompagnée d'une forme à double courbure et d'une faible rigidité, cette tolérance est assez difficile à atteindre. Un mécanisme d'appui en continue de l'autre côté du panneau peut résoudre le problème de la flexion et de la déformation du panneau flexible. Un capteur d'épaisseur, capable d'actualiser régulièrement la valeur de l'épaisseur, permet à une boucle de rétroaction de contrôler la profondeur de coupe. Un mandrin magnétique et un capteur d'épaisseur à ultrasons sont largement étudiés pour leur potentialité à résoudre ce problème d'usinage. La maquette numérique du prototype a été développé sous CATIA V5. Certaines composantes comme le moteur de la broche et quelques parties du capteur magnétique ont été intégrés en interne lors du montage du module maître/esclave. Le prototype a été testé sur une machine à commande numérique pour un panneau plat. Le banc de la machine était suffisant pour tester la validité de la boucle de rétroaction, mais ne pouvait tester l'usinage du panneau à double courbure. Après quelques essais avec rétroaction, on a observé que le capteur à ultrasons n'a pas été en mesure de détecter une valeur d'épaisseur stable en raison de l'approvisionnement interrompu en liquide de couplage (eau). Ceci a entraîné une variation d'épaisseur visible sur la surface usinée du panneau. Le problème identifié a été confirmé suite à quelques essais sans rétroaction qui ont induit une épaisseur plus constante avec une surface usinée plus lisse. Cette série d'expériences vise à répondre à la question de recherche principale qui est de savoir s'il est possible d'usiner un panneau mince avec un niveau de tolérance suffisant. Quelques expériences ont été effectuées afin de connaître les forces nécessaires à l'appui et à l'usinage de l'effecteur. Le calcul des forces avec l'outil de coupe torique, en considérant l'inclinaison de l'outil, aide à établir une procédure pour déterminer la force de serrage minimale. Pour ce, on a supposé que la force minimale est équivalente à la force de poussée maximale (force perpendiculaire au panneau) en opération de fraisage. Le module esclave qui suit le module maître en restant au centre de la surface de l'outil a été confronté à la force de frottement.  ABSTRACT: This research considers mechanical milling of thin aircraft panel as its prime objective. Mechanical milling will be conducted using a robot manipulator. One of the key requirements of this research is to maintain the remaining panel thickness within ±0.002 inch (±0.050 mm). Given the initial panel thickness variation of 5% along with its double curvature shape and low stiffness, this tolerance is quite challenging. A continuous support mechanism from the opposite side of the panel may solve the problem of deflection and deformation of the flexible panel. A highly sensitive thickness sensor that can regularly update the thickness value could be adapted to a feedback loop to get a precise dynamic depth of cut. A magnetic chuck and ultrasonic thickness sensor will be investigated for their ability to solve this problem of thin panel mechanical machining. Considering the required specification a prototype model has been developed in CATIA V5. The model has been implemented collecting all required components mentioned in the design. Other than those purchased components like spindle motor, magnets and sensor a few parts have been in-house built while assembling the master and slave module. The prototype has been tested inside a CNC machine tool for a flat skin panel. The CNC machine bed was sufficient to test the feedback loop validity but could not test the end effector capability for double curvature panel machinability. After a few tests with feedback it has been observed that the ultrasonic sensor was not able to get a stable thickness value due to interrupted supply of coupling liquid (water) which resulted in a variation in the skin panel floor bed thickness. The identified problem has been confirmed with a few more tests without feedback which resulted in smoother floor bed thickness. This series of experiment answer the prime research question of whether it is possible to mill skin panel with such level of tolerance. A few experiments have been conducted to determine how much force is needed to accomplish the grasping and machining functions. Torus cutter based milling force calculation considering the tilting angle helped to establish a procedure for determining the minimum clamping force. To determine the required minimum clamping force it has been assumed that minimum clamping force is equivalent to the maximum thrust force (perpendicular force on the skin panel) in milling operation.


identifier: Beauchamp Boisvert, E. (2015). Simulation du flux de patients en clinique externe  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au Canada, nous avons la chance de profiter d'un système de santé public gratuit lors des consultations et pour la grande majorité des traitements. Cependant, cette méthode de fonctionnement est très coûteuse pour les contribuables ce qui limite l'augmentation du nombre de centres, de ressources matérielles et qui ne permet pas d'engager du personnel supplémentaire. Avec tous les progrès technologiques qui permettent aux médecins de réduire les temps de traitement ou de suivi, nous constatons encore la présence de listes d'attente pour la majeure partie des spécialités médicales. En clinique externe, les gestionnaires cherchent à augmenter le débit de patients vus en une journée, mais il est difficile de prévoir le temps exact de consultation, les délais d'arrivée des patients, le taux d'absentéisme aux rendez-vous, etc. Ainsi, créer un horaire qui permet de voir un maximum de patients sans toutefois engendrer des heures supplémentaires pour les ressources devient une tâche complexe. Encore aujourd'hui, la plupart des séquences de traitement sont fixées par une agente administrative lorsqu'une place est disponible. Les plages de traitements sont de durées fixes et parfois sont toutes en début de journée ce qui engendre une attente très importante pour les patients. Nous avons donc développé un modèle de simulation qui permet d'exécuter des milliers de scénarios pour analyser l'impact de changements dans l'horaire et ainsi bâtir des horaires plus robustes. Ce modèle nous a permis d'étudier les gains dans l'attente indirecte, c'est-à-dire entre les rendez-vous d'un patient à l'hôpital, pour une clinique de radiothérapie et l'attente directe, celle encourue lors d'une visite à l'hôpital. La structure de ce modèle permet d'être adapté à plusieurs types de cliniques externes et pourrait être utilisée par un gestionnaire d'unité afin de créer des créneaux pour différents types de cliniques ou d'analyser en temps réel l'impact de l'ajout d'un patient dans une certaine plage horaire. Ce gestionnaire pourrait donc estimer le temps total qu'un patient passerait dans l'unité, le temps qu'il mettrait avant d'obtenir son traitement, le temps supplémentaire effectué par le personnel ainsi que le taux d'utilisation de chacune des ressources.  ABSTRACT: In Canada, we are lucky to have a public health system in which all the consultations and most of the treatments are free. The principal downside of this system is that it is costly so it is impossible to expand the centers, buy new equipment or hire extra personnel. With all the technologic developments that helped physicians reduce the treatment times or follow up delays, we still encounter large queues for an appointment with a specialist. In the outpatient clinics, managers are looking to increase the rate of patients seen daily, but it is really hard to predict the exact time of consultation, the time of arrival of the patients, the no-show rate to the appointment, etc. Therefore, it is almost impossible to build a patient schedule in which a maximum number of patients are seen without creating overtime for the personnel and waiting time for the patients. There are many aspects someone has to consider while building a patient schedule and even nowadays most of these schedules are hand made by a resource of the unit. The first available slot is given to the patient currently asking for an appointment in a template where all slots are of mostly equal length. Some units also book all patients at the beginning of the day to minimize the idle time of physicians, strategy that creates an important wait time for most of the patients. During this project, we developed a simulation model that allowed us to replicate thousands of scenarios in a short time to analyze the impact of movement in the schedule and to build more robust schedules. This model allowed us to see potential reduction in the wait experienced between two separate appointments (indirect wait), and in the wait endured during one hospital visit (direct wait). We built this model so it can be adapted to multiple types of outpatient clinics and so it could be used by a unit manager to make a real time analysis of the impact of adding a particular patient at a certain time during the day. The manager could estimate the total length of the clinic, the overtime of the personnel, the utilization rate of all the resources, the total time spent by a patient in the unit and the time elapsed between the first consultation and the end of the last treatment in the unit.


identifier: Mirzaei Amirabad, M. (2015). Analyse et design aérodynamique haute-fidélité de l'intégration moteur sur un avion BWB  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le BWB (Blended Wing Body) est un type d'avion à fuselage intégré basé sur le concept d'aile volante. Ce type d'avion offre des avantages au niveau économique et environnemental avec une réduction de la consommation de kérosène obtenue en améliorant la performance aérodynamique. Dans le cadre de ce projet, l'avion initial provient d'un design conceptuel. Il est donc nécessaire d'améliorer la performance aérodynamique grâce à l'optimisation du corps principal du BWB. Dans ce contexte, nous désirons utiliser les méthodes de haute-fidélité, ce qui est peu fréquent dans la littérature. Ce projet développe une méthode d'optimisation automatique afin de réduire la traînée sur le corps principal. On réalise l'optimisation en deux étapes principales : avant et après l'intégration moteur. Notre objectif est de réduire la traînée en prenant en compte plusieurs contraintes réalistes dans une optimisation à haute-fidélité. Le logiciel commercial Isight est choisi comme optimiseur et celui-ci appelle le logiciel  MATLAB pour commencer le processus d'optimisation. La génération de la géométrie est réalisée à l'aide du logiciel ANSYS-DesignModeler. Pendand l'optimisation, on maille la géométrie de manière non-structurée à l'aide ANSYS - Mesh et les calculs CFD sont faits à l'aide d'ANSYS-Fluent. Le tout est fait dans l'environnement d'ANSYS-Workbench qui est appelé par  MATLAB. La méthode haute-fidélité est utilisée pendant l'optimisation en résolvant les équations de  Navier-Stokes. Dans chaque étape d'optimisation, en vue de vérifier les résultats, nous avons réalisé, grâce au logiciel  ICEM, un remaillage de  l'avion plus fin que le maillage utilisé dans l'optimisation et de manière structuré. La première étape comprend une optimisation 3D sur la surface du corps principal avant d'ajouter le moteur. En utilisant le cas optimisé comme donnée d'entrée, on passe à la deuxième optimisation en ajoutant la nacelle. D'abord, cette étude a permis d'obtenir une réduction convenable du coefficient de traînée du BWB sans nacelle. Ensuite, en ajoutant la nacelle, on peut également réduire la traînée en réalisant une optimisation du corps principal localement. Enfin, la séparation d'écoulement créée dans la zone corps-nacelle a été supprimée.  ABSTRACT: BWB (Blended Wing Body) is an innovative type of aircraft based on the flying wing concept. In this configuration, the wing and the fuselage are blended together smoothly. BWB offers economical and environmental advantages by reducing fuel consumption through improving aerodynamic performance. In this project, the goal is to improve the aerodynamic performance by optimizing the main body of BWB that comes from conceptual design. The high fidelity methods applied in this project have been less frequently addressed in the literature. This research develops an automatic optimization procedure in order to reduce the drag force on the main body. The optimization is carried out in two main stages: before and after engine installation. Our objective is to minimize the drag by taking into account several constraints in high fidelity optimization. The commercial software, Isight is chosen as an optimizer in which MATLAB software is called to start the optimization process. Geometry is generated using ANSYS-DesignModeler, unstructured mesh is created by ANSYS-Mesh and CFD calculations are done with the help of ANSYS-Fluent. All of these software are coupled together in ANSYS-Workbench environment which is called by MATLAB. The high fidelity methods are used during optimization by solving Navier-Stokes equations. For verifying the results, a finer structured mesh is created by ICEM software to be used in each stage of optimization. The first stage includes a 3D optimization on the surface of the main body, before adding the engine. The optimized case is then used as an input for the second stage in which the nacelle is added. It could be concluded that this study leads us to obtain appropriate reduction in drag coefficient for BWB without nacelle. In the second stage (adding the nacelle) a drag minimization is also achieved by performing a local optimization. Furthermore, the flow separation, created in the main body-nacelle zone, is reduced.


identifier: Nguwuo Petuenju, E. (2015). Élaboration et caractérisation de couches minces de CuInS2 déposées par la pyrolyse par pulvérisation ultrasonique à base de transducteur  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'étude présentée dans cette thèse fait partie des travaux du Laboratoire de nouveaux matériaux pour l'énergie et l'électrochimie (LaNoMat) dans la recherche de nouvelles techniques d'élaboration de nouveaux matériaux pour application solaire photovoltaïque. Ceci a pour objectif de contribuer au développement de l'exploitation de l'énergie solaire en énergie électrique par le maximum de la population à travers le monde. Ce travail porte sur la détermination des paramètres de dépôt de couches minces de CuInS2 par la méthode de pyrolyse par pulvérisation ultrasonique pour des applications en technologie des cellules solaires photovoltaïques 3D. La structure de la bande interdite du CuInS2, matériau semi-conducteur à gap direct de valeur égale à 1.55 eV, en fait  un excellent candidat dans le  rôle d'absorbeur dans la technologie des couches minces pour applications solaires photovoltaïques. La technologie solaire photovoltaïque 3D nécessite la réalisation de jonction p-n de semi-conducteurs de type n et p dont les réseaux s'interpénètrent lors de la réalisation de cette jonction pn. L'élaboration  de ce type de réseaux implique la croissance de couches minces qui possèdent les caractéristiques d'un absorbeur nanocomposite ultramince ou extrêmement mince (typiquement de quelques dizaines de nanomètres)  ou d'une boîte quantique absorbeur.  Toutes ces notions montrent l'importance de développer des méthodes permettant la croissance de telles couches. Mais le développement des méthodes de dépôts de couches minces, pour des raisons de compétitivité et d'accessibilité, doit aussi s'inscrire dans le contexte de l'élaboration de cellules solaires photovoltaïques tridimensionnelles à faible coût. Pour ce faire il faut utiliser des technologies de fabrication des matériaux facilement accessibles et peu onéreuses, comme la pyrolyse. L'objectif de cette thèse porte sur l'utilisation de la pyrolyse par pulvérisation ultrasonique pour faire croître des couches minces de CuInS2 et les caractériser par différentes techniques. Le CuInS2 est un matériau semi-conducteur à gap direct, qui peut jouer le rôle d'absorbeur dans la technologie solaire photovoltaïque. Seulement, la croissance de couches minces de ce matériau est sujette à une problématique de réalisation de réseaux interpénétrants de semi-conducteurs de types différents, ce qui implique un choix approprié de la technique de dépôt. On constate que l'intérêt pour les méthodes existantes, l'ALCVD (Atomic Layer Vapor Deposition) et ILGAR (Ion Layer Gas Reaction) développées aux paragraphes 2.4.1 et 2.4.2, est confronté aux limites temporelles de ces méthodes. En effet ces deux méthodes, ayant un principe de réalisation séquentielle, se déroulent très lentement; ce qui fait que l'épaisseur des couches minces obtenues est proportionnelle à la durée du dépôt. La durée de dépôt a un impact certain sur les coûts de production. L'objectif de la recherche est  donc de développer une méthode qui, tout en possédant les avantages que confère l'utilisation de l'ALCVD ou de l'ILGAR quant à la réalisation de réseaux interpénétrants, permettra un gain de temps et une forte réduction de coût de production. Cette méthode est  la pyrolyse par pulvérisation ultrasonique à base de transducteur qui peut permettre de croître des couches minces de CuInS2 présentant une bonne homogénéité. La pyrolyse par pulvérisation a été réalisée selon deux méthodes différentes de pulvérisation, à savoir ultrasonique et pneumatique.  La pulvérisation ultrasonique s'est faite à l'aide d'un système piézo-électrique utilisant un transducteur. L'utilisation d'une solution aqueuse de précurseurs mène à l'obtention de couches minces d'agrégats de sulfure d'indium In2S3 tandis que l'utilisation d'une solution alcoolique de précurseurs mène à l'obtention de couches minces de CuInS2. Le rapport des précurseurs permettant un dépôt est Cu:In:S = 1:1:4.  La spectrophotométrie a permis de déterminer que les couches minces de CuInS2 obtenues présentent toutes une valeur moyenne de bande interdite égale à 1.40 eV. Ceci indique  la présence d'états intermédiaires, telles les lacunes de cuivre, dans la bande interdite du matériau. Les spectres d'absorption ont aussi permis de distinguer des pics que l'on peut attribuer à la contribution des sous-bandes correspondant à la liaison indium-soufre et à la bande 3s du soufre. La caractérisation structurale s'est faite par la diffraction des rayons X (XRD – X-ray Diffraction en anglais) tandis que la morphologie de surface ainsi que la caractérisation chimique se sont faites à l'aide de l'analyse dispersive en énergie (EDAX - Energy Dispersive X-ray Analysis en anglais). Les résultats qui en découlent montrent que les couches minces obtenues sont homogènes, transparentes et cristallines avec une taille de grains de l'ordre de  110 ± 10 Å. La croissance des couches minces est tributaire de la durée d'humidification du substrat. Pour un temps d'humidification de l'ordre de 7 minutes, on obtient des couches minces avec une meilleure stœchiométrie, de l'ordre de Cu:In:S de 1:1.23:2.07 mais avec une présence du chlore, absent dans les couches obtenues avec un temps d'humidification de l'ordre de 3 minutes avec  une  stœchiométrie  de Cu :In :S : 1:1.81:3.18. Elles présentent une résistivité égale en moyenne à 1.3 x 104 ± 0.027 x 104 Ω.cm, valeur mesurée grâce à la méthode des quatre pointes. Les couches minces obtenues sont de type p et sous illumination de l'ordre de 100 mW/cm2 par une lampe de xénon, on obtient une augmentation de la densité des porteurs de charge de l'ordre de 62%. Mais cette valeur ne tient pas compte des phénomènes de recombinaison. Dans le cas de la méthode  pneumatique, le principe de pulvérisation ici se base sur l'application de l'effet Venturi qui permet de pulvériser la solution de précurseurs en utilisant un gaz porteur. Cette méthode se nomme pyrolyse par pulvérisation à gaz pulsé. Le gaz utilisé ici est l'azote. Les couches minces obtenues sont hétérogènes, denses, opaques, polycristallines avec une taille des grains de l'ordre de 550 ± 10 Å. La stœchiométrie des couches obtenues est en moyenne égale à 1:1.45:2.28. Les couches minces obtenues par cette méthode nécessite un recuit afin d'améliorer leur cristallinité. L'analyse comparative des échantillons obtenus par les deux types de pyrolyse par pulvérisation est ensuite réalisée. Il en ressort que la pulvérisation aérosol ultrasonique permettrait d'obtenir des couches minces de CuInS2 pour applications solaires autant dans les rôles de nanocomposite absorbeur ultra mince et d'absorbeur extrêmement mince que dans celui de boîte quantique absorbeur.   La conclusion de ce travail aboutit au fait que la pyrolyse par pulvérisation ultrasonique à base de transducteur est une méthode qui permettrait donc de résoudre une problématique importante en technologie des cellules solaires photovoltaïques tridimensionnelles, à savoir la réalisation de réseaux interpénétrants de semi-conducteurs de type n et p, à grande échelle et sans contrainte temporelle.  ABSTRACT: The present thesis study is part of the work of The Laboratory of New Materials for Energy and Electrochemistry systems (LaNoMat) that search new techniques to elaborate new materials for photovoltaic solar applications. This aims contribute to the development of the exploitation of solar energy into electrical energy by the maximum of the population throughout the world. This work deals with the determination of CuInS2 thin film deposition parameters by ultrasonic spray pyrolysis method for applications in the technology of three dimensional (3D) solar cells. The structure of the band gap of CuInS2 (a semiconductor material with a direct bandgap of 1.55 eV) makes it an excellent candidate for the role of the absorber in thin film technology for solar photovoltaic applications. 3D solar photovoltaic technology requires the production of a p-n junction with n and p-type semiconductors to make networks. The production and growth of such networks depends on the creation of thin films which have the characteristics of an ultrathin nanocomposite or extremely thin absorber (typically a few tens of nanometers) or which act as a quantum dot. All these concepts show the importance of developing methods to grow such layers. But the development of methods for thin film deposition, for the reasons of competition and accessibility, must be considered as an important factor in the context of the development of three-dimensional photovoltaic solar cells at low cost. To do this it is necessary to use materials manufacturing technology readily available and inexpensive, such as the pyrolysis. The main objective of this thesis focuses on the use of ultrasonic spray pyrolysis technique to grow CuInS2 thin films and characterize them by different techniques. CuInS2 is a direct gap semiconductor material, which can act as absorber in solar photovoltaic technology. However, the growth of thin films of this material is subject to a problem of creation of interpenetrating networks of different types of semiconductors (n and p-type), which implies a suitable choice of deposition technique. It should be noted that the interest in existing methods, the ALCVD (Atomic Layer Vapor Deposition) and ILGAR (Ion Layer Gas Reaction) developed in paragraphs 2.4.1 and 2.4.2, is confronted with time limits of these methods. Indeed these two methods, owing to the principle of sequential production process, take place very slowly; so that the thickness of the obtained thin film is proportional to the deposition time. The deposition time has an impact on production costs. The main objective of this research is therefore to develop a method that allows time savings and a reduction of production cost, while possessing the advantages conferred by the use of ALCVD or ILGAR methods regarding the realization of interpenetrating networks. This method is the transducer based ultrasonic spray pyrolysis that can be used to grow thin films of CuInS2 with a good homogeneity.  In this work, spray pyrolysis is carried out in two different ways, namely ultrasonic and pneumatic spraying. Ultrasonic spraying was done with a piezoelectric system using a transducer. The use of  precursors in an aqueous solution leads to the production of thin layers of indium sulfide In2S3 clusters while the use of the precursors in alcoholic solution leads to the production of thin layers of CuInS2. The precursors ratio for deposition of CuInS2 is Cu: In: S = 1: 1: 4. Spectrophotometry has identified that all obtained CuInS2 thin films have an average band gap value of 1.40 eV. This indicates the presence of intermediate states, such as copper vacancies in the material band gap. The absorption spectra also allowed us to distinguish peaks that can be attributed to the contribution of sub-bands corresponding to the indium-sulfur bond and the sulfur 3s-band. Structural characterization was done by X-ray Diffraction (XRD) while the surface morphology and chemical characterization were done using the Energy Dispersive X-ray Analysis (EDAX). The ensuing results show that the thin films obtained are homogeneous, transparent and crystalline with the grain size of the order of 110 ± 10 Å. The thin films obtained by this method do not require annealing to improve their crystallinity. The growth of thin films depends on the substrate humidification period. For a wetting time of about 7 minutes, thin layers are obtained with improved stoichiometry, in the order of Cu: In: S = 1: 1.23: 2.07, in a presence of chlorine,  but not present in the layers obtained with a wetting time of about 3 minutes, with a stoichiometry of 1: 1.81: 3.18. They have an average resistivity of 1.3 x 104 Ω.cm, as measured by the four-points probe. The obtained thin films are p-type and, under illumination of  100 mW/cm2 by a xenon lamp, an increase of the density of charge carriers of about 62% is obtained, but this value does not account the recombination phenomena. In the case of the pneumatic method, the spraying principle is based on the application of Venturi effect, which allows to spray the solution of precursors using a carrier gas. This method is called gas blasting spray pyrolysis. The gas used here is nitrogen. The obtained thin films are heterogeneous, dense, opaque, and polycrystalline with a grain size of the order of 550 ± 10 Å. The stoichiometry of the layers obtained is equals to 1: 1.45: 2.28. The thin films obtained by this method require annealing to improve their crystallinity. The comparative analysis of the samples obtained by the two types of spray pyrolysis is then performed. It shows that ultrasonic aerosol spray would provide CuInS2 thin films for solar applications both in the roles of nanocomposite ultra-thin absorber and extremely thin absorber as in that of quantum dot absorber. The conclusion of this work leads to the fact that transducer based ultrasonic spray pyrolysis is therefore a method that would solve a major problem in three-dimensional photovoltaic solar cells technology, namely the realization of interpenetrating networks of n-type and p-type semiconductors, on a large scale and without time constraint.


identifier: Yousefzadeh Tabasi, R. (2015). Study of Self-Adhesion and Biodegradation of Biodegradable Polymer Films  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La nécessité criante de surmonter les problématiques liées à la fin de vie des films de plastique à base de pétrole utilisés dans l'industrie de l'emballage présente une opportunité unique d'évaluer le potentiel des plastiques bio-sourcés et biodégradables comme alternatives viables aux plastiques à base de pétrole. Les films de plastique en tant qu'emballages multicouches ont différentes fonctions telles que la résistance au transfert de l'oxygène, la vapeur d'eau et la perte d'arômes. On réfère à ces propriétés en tant que propriétés "barrières". Les performances de l'emballage dépendent également de certaines propriétés mécanique, thermique et chimique. Une fonction essentielle pour tout emballage hermétique, est fournie par une couche dénommé la couche de scellant. Cette couche garantie un scellage hermétique, qui assure sa performance au niveau des propriétés barrières. Le choix du matériau biodégradable pour la couche de scellant est un défi de taille et constitue un des focus principaux de cette thèse. Le manque de revues de littérature sur les propriétés de scellage et du comportement d'auto-adhésion des résines biodégradables est un problème considérable. De plus, la présence d'un choix limité de résines faisant partie de la classe des bioplastiques fait en sorte qu'il est nécessaire d'effectuer une quantité immense de tests préliminaires avec pratiquement toutes les résines accessibles. Le choix du matériau pour la couche de scellant a été effectué suite à l'évaluation préliminaire de plus de dix plastiques biodégradables différents. Les propriétés de ces matériaux ont des limitations au niveau de la ténacité, de la stabilité thermique et d'une cristallinité élevée. Conséquemment, la transformation et l'extrusion de ces matériaux requièrent des précautions extrêmes, puisque ces résines biodégradables sont susceptible à la dégradation thermique lors de la transformation à l'état fondu. Le Polylactide (PLA) est une résine bio-sourcée commercialement disponible avec de bonnes propriétés mécaniques et dont il est possible de contrôler la structure moléculaire lors de sa production. Les PLA disponibles sur le marché sont catégorisés dans deux groupes: le cristallin et l'amorphe. Suite à l'étude initiale, il est évident que le PLA amorphe possède le meilleur comportement lors du scellage à chaud. Cette résine a donc été sélectionnée comme matériau principal pour la suite des travaux. x Les bioplastiques disponible commercialement, en tant que résines pures, ne peuvent répondre aux exigences d'une couche de scellant pour une application d'emballage. C'est pourquoi des modifications subséquentes sont nécessaires. Dans le cas particulier du PLA, sa fragilité est un désavantage important. Une ténacité accrue peut être atteinte par le mélange à l'état fondu du PLA avec d'autres polymères de type élastomère, e.g. le caoutchouc naturel, les polyesters aromatiques, les copolyesters aromatiques, les polyoléfines, etc.. Le Poly-ε-caprolactone (PCL) et le Poly(butylène adipate-co-terephthalate) (PBAT) ont été sélectionnés comme représentant du groupe des polyesters aliphatique linéaires et des copolyesters aromatiques, respectivement. Ces deux polymères ont été utilisés afin de modifier les propriétés mécaniques et le comportement du scellage à chaud de la résine de PLA. L'amélioration simultané des propriétés de scellage via l'utilisation de mélanges de résines biodégradables est un autre focus de cette thèse. La modification du comportement de biodégradation de ces résines due à leur mélange est également étudiée, afin de déterminer si l'emballage peut toujours être considéré comme étant compostable. Initialement, dans le but de démontrer l'efficacité du mélange à améliorer les propriétés précédemment mentionnées; des mélanges renforcés de Poly(acide lactique) (PLA) et de Poly-ε-caprolactone (PCL) ont été investigués et comparés aux résines pures en terme de comportement mécanique et de leur performance au niveau du scellage. Tous les échantillons utilisés sont des films ayant une épaisseur de 35 μm, produit par extrusion au travers d'une filière plate. La morphologie des mélanges est affectée par l'écoulement en élongation présent dans la filière plate et une morphologie laminaire en résulte pour les mélanges de 20% et 40% de PCL. Il est démontré que la cristallinité des mélanges est affecté par la faible mobilité des chaînes moléculaires du PLA. Ceci résulte en des mélanges ayant d'avantage de phase amorphe. Jusqu'à 30oC de réduction des températures d'initiation pour le thermo-scellage et de la tenue à chaud a d'ailleurs été observé pour les mélanges comparativement au PLA pur. Toutefois, tous les échantillons avaient une température d'initiation supérieure à la température de fusion du PCL. Une augmentation de la force de tenue à chaud des mélanges, atteignant 1700g/25,4mm pour une teneur de 40% de PCL montre une amélioration significative de l'auto-adhésion des xi échantillons mélangés. Les propriétés mécaniques des mélanges sont également significativement affectées par le mélange à l'état fondu: une plus grande élongation à la rupture et une plus grande ténacité rendent ces mélanges moins susceptibles aux défauts causés par la manutention et le stockage. Le PCL est un polyester aliphatique relativement coûteux qui possède une temperature de fusion et une température de ramollissement assez basses. Ces caractéristiques entraînent un coût de production élevé, en plus d'engendrer des problématiques au niveau de la manutention et du stockage dans les régions arides. Il existe des alternatives au PCL, tel que le PBAT, qui fait partie des copolyesters aromatiques et qui possèdent une température de fusion plus élevée, avoisinant 120oC. Ses coûts de production sont également plus faible. L'utilisation d'une résine ayant un point de fusion élevé pour la modification des propriétés du PLA nécessite une étude approfondie sur la cristallinité et ses effets sur le comportement de ces résines lors du scellage à chaud. Afin d'apporter une compréhension approfondie des effets du mélange, nous avons subséquemment utilisé le Poly(acide lactique) (PLA) amorphe et ses mélanges avec le Poly(butylène adipate-co-terephthalate) (PBAT). L'avantage de ce mélange est le point de fusion du PBAT plus élevé que la température d'initiation de la tenue à chaud du PLA. Les mélanges de PBAT et PLA amorphe offrent la possibilité d'analyser l'effet du changement de la structure cristalline sur la température d'initiation de la tenue à chaud. En utilisant des films de PBAT ayant subi une trempe comme référence, il a été démontré que la structure cristalline du PBAT a un effet significatif sur la température d'initiation de la tenue à chaud (Tsi), causant jusqu'à 20oC d'écart sur cette propriété. L'incorporation du PBAT comme phase dispersée diminue la teneur cristalline du PBAT, ce qui modifie également la Tsi des mélanges. Dans ce cas, la même morphologie que les mélanges précédents a été obtenue, à cause du rapport des viscosités près de l'unité et du champ d'écoulement en élongation du procédé d'extrusion en filière plate. Un facteur de forme élevé de la phase dispersée est un atout facilitant le processus d'adhésion. L'amélioration de la résistance au perçage des mélanges les rend d'autant plus intéressant pour des applications en emballage flexible. xii Comme les mélanges présentaient une morphologie ayant des phases distinctes, nous avons évalué la capacité d'analyser la biodégradation de chaque phase, distinctement, dans un montage de compostage à échelle de laboratoire. Le niveau de dégradation a été suivi à l'aide d'un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier muni d'un module de réflexion totale atténuée (FTIR-ATR). Des mélanges binaires de Poly(acide lactique) ou de Polyhydroxybutyrate (PHB) et de Poly(butylène adipate-coterephthalate) (PBAT) ont été utilisés à cette fin. L'émanation cumulative de CO2 était mesurée comme indication du niveau de biodégradation de tout l'échantillon. Les résultats de la collecte des gaz ont été analysés avec les résultats obtenus à l'aide du spectromètre FTIR-ATR. Le rapport du pic d'absorption du lien C=O pour le PLA et le PHB vis-à-vis du pic pour le PBAT a diminué graduellement en fonction du temps de compostage. Ces résultats concordent avec les résultats de la collecte de CO2 dans le montage de compostage, ce qui démontre la propension de certaines phases des mélanges à se dégrader plus rapidement. Les images prises avec un microscope électronique à balayage (SEM) montrent la formation d'un réseau poreux tridimensionnel (3D) pour les deux types de mélange après 15 jours de compostage. Les résultats de l'accumulation de CO2 confirment que les mélanges se dégradent à un taux comparable aux résines pures, malgré qu'il soit affecté par le mélange et qu'ils soit inférieur au taux de dégradation des films de PLA et de PHB purs. Nos résultats montrent finalement que les films compostés perdent graduellement leur force de résistance en traction et que le module d'Young des échantillons diminue en fonction du temps de compostage.  ABSTRACT: The urgent necessity of overcoming post-use problems caused by petroleumbased plastic films, which are used in the packaging industry, has provided a great chance to evaluate the potential of bio-based and biodegradable plastics as a viable alternative to petroleum-based polymers. Plastic films in multilayer packages have different functions, such as being barriers to oxygen, water vapor and loss of flavor, and they are required to have certain mechanical, thermal and chemical performances. One function inevitably present in all airtight packages is provided by a layer called the seal layer. This layer guarantees the package hermetic sealing, which assures its barrier performance. Selection of material for biodegradable seal layers is a huge challenge and is one of the focuses of this thesis. Lack of literature reviews on seal and self-adhesion behavior of biodegradable plastics is one problem. In addition, the available material class of bioplastics is commercially limited, and requires immense preliminary testing of almost every accessible biodegradable resin in order to find suitable plastics for use in seal layer. The seal grade resins were selected over vast initial investigations of more than ten different biodegradable plastics. The property restraints for these resins include their brittleness, low thermal stability, and high crystallinity. Subsequently, film processing and extrusion of these materials require extreme cautions as these biodegradable resins are prone to hydrothermal degradation through melt processing. Polylactide (PLA) is a commercially available bio-based resin with significant mechanical strength and provides a possibility to tailor the molecular chain in the production line. PLAs, introduced to the market, are divided into two major categories: a crystalline PLA and an amorphous grade. In the course of our initial study the amorphous PLA revealed a better sealing behavior, and therefore, was selected as the main resin in the continuation of our work. Commercially available bioplastics, cannot fulfill all of the required characteristics of the seal layer for use in packaging applications. Consequently, further modifications are necessary to make them practical for this application. In the specific case of PLA, brittleness is also a great disadvantage. Toughness can be achieved through vi the melt blending of PLA with other rubbery plastics, e.g. natural rubber, aliphatic polyesters, aromatic copolyesters, polyolefins, etc. Poly-ε-caprolactone (PCL) and poly (butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) have been selected as representatives of linear aliphatic polyesters and aromatic copolyesters, respectively. These two polymers have been used to modify the mechanical and seal properties of PLA resin. Simultaneous enhancement of seal properties by using blends of biodegradable resins is another focus of this thesis. Later we will also address the change in the degradability of these resins as a result of blending, in order to find out whether the package can still be regarded as compostable. Initially in this study, in pursuit of proving the effectiveness of blending to improve the aforementioned properties, blends of Poly (lactic acid) (PLA) and Poly-ε- caprolactone (PCL) were investigated and compared to pure resins in terms of their mechanical and seal performance. All film samples were produced using the cast film process with a thickness of 35 μm. Morphology of the blends was affected by the elongational flow in the film casting die and laminar morphology was developed in blends containing 20wt% and 40wt% PCL. Crystallinity of the blends proved to be affected by low mobility of PLA molecular chains. This provided blends, with more amorphous phase. A noticeable decrease in Seal and Hot-tack initiation temperatures of up to 30°C, as compared to neat PLA, was observed via blending; however, all samples started to seal at temperatures above the melting temperature of PCL of 60ºC. An increase in the Hot-tack strength of the blends, to about 1700g/25.4mm, for a PCL content of 40% showed a significant improvement of self-adhesion in the blend samples. Mechanical properties of the blends were also significantly affected through melt blending. Higher elongation at break and higher toughness were obtained as well, making these blends less prone to defects caused by handling and storage. PCL as an aliphatic polyester is comparatively costly compared to other polyesters and conventional plastics and has rather low melting and softening points, which results in high production cost as well as handling and storage issues in warm areas. Alternatives to PCL are aromatic copolyesters like PBAT which have higher melting points around 120ºC and lower production costs. The utility of modifying resins vii with a high melting point requires a deep investigation of crystallinity and its effect on the sealing behavior of these resins. To provide a deeper understanding of the effect of blending we subsequently used amorphous poly (lactic acid) (PLA) and its blends with Poly (butylene adipate-coterephthalate) (PBAT). The advantage of this blend, as mentioned above, is that the melting point of PBAT is higher than that of PCL, and hence the blends are thermally more stable. Unlike the PCL case, the melting point of PBAT resin is higher than the sealing temperature of the blends. This will offer the chance to analyze the effect of the change in the crystalline structure of the blends on the shift in its hot-tack initiation temperature. Quenched films of PBAT were used as reference, showing significant shift in its hot-tack initiation temperature Tsi of up to 20°C. Incorporation of PBAT as a dispersed phase lowers the crystal content of PBAT, which also shifts Tsi of the blend samples. The same laminar morphology as the one of the previous blends (PLA/PCL) was obtained. A high aspect ratio of the dispersed phase is important for enhancing the adhesion process. It results in higher surface coverage by a dispersed phase and higher inter-diffusion through sealing. Improved puncture resistance of the blends makes them more interesting for film packaging applications. As the blends show phase-separated morphology, the last part of this thesis was dedicated to the investigation of the capability of ATR-Fourier Transform infrared techniques to analyze the biodegradation of each phase of samples in a lab-scale composting setup. Two-phase biodegradable blends based on PLA or Polyhydroxybutyrate (PHB), with poly (butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT), were used for this part of our work. Cumulatively evolved CO2 gas was measured as an indication of the extent of biodegradation of whole films in this setup. The results from gas collection have been analyzed together with ATR-FTIR spectroscopy results. The absorption ratio of C=O bond for PLA and PHB to the absorption peak of PBAT decreased gradually as a function of composting time. Latter agrees with evolved CO2 gas rate in composting setup, showing selectivity of composting to degrade specific phases of the blends. SEM micrographs showed the formation of a porous three dimensional (3D) network for both blends through composting after 15 days. Cumulative CO2 evolution results confirm that the blends are still degrading by a rate comparative to viii compostable resins, although this rate is affected by blending and is lower than the degradation rate of pure PLA and PHB films. Our results finally showed that composted films will gradually lose their mechanical strength and the Young's modulus of the samples decreases as a function of composting time.


identifier: Mohamed, M. G. M. (2015). Automatic Behavior Analysis and Understanding of Collision Processes Using Video Sensors  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La sécurité routière est un des problèmes de société les plus importants à cause des multiples impacts et coûts des accidents de la route. Traditionnellement, le diagnostic de sécurité repose principalement sur les données historiques de collision. Cette approche réactive mène à remédier au problème de sécurité après que ses impacts sur la société soit déjà réalisés. Les analystes de la sécurité et les décideurs doivent attendre jusqu'à ce qu'un nombre suffisant de collisions (ce qui demande d'attendre habituellement au moins trois ans) soit collecté pour analyser ou mettre en place des mesures d'amélioration de la sécurité routière. Les méthodes substituts (« surrogate ») d'analyse de la sécurité constituent une approche alternative proactive qui s'appuie sur l'observation d'événements « dangereux » sans collision, souvent appelé accidents « évités de justesse » (« near misses ») ou « conflits ». Parmi ces approches, les techniques de conflits de trafic (TCT) reposent sur la collecte des données de conflit par des observateurs sur le terrain qui interprètent leur sévérité. Par conséquent, les TCT souffrent des variations de jugement des observateurs, de la difficulté de mesurer les indicateurs de sécurité en temps réel par les observateurs, et du coût de la collecte des données.  ABSTRACT: Traffic safety is one of the most important social issues due to the multiple costs of collisions. Traditionally, safety diagnosis depends mainly on historical collision data. This reactive approach leads to remedy the existing safety problem after the materialization of the induced social cost. Safety analysts and decision makers must wait till a sufficient number of collisions (typically at least 3 years of collision data) is collected to analyze and to devise countermeasures. Surrogate safety analysis is an alternative and proactive approach that relies on the observation of traffic events without a collision, in particular “unsafe” events often called “near misses” or “conflicts”. Among these approaches, traffic conflict techniques (TCT) rely mainly on field observers to identify conflicts and interpret their severity. Consequently, TCTs suffer from the variations of observer judgement, the cost of collecting conflict data, and the difficulty of measuring safety indicators in real time by the observers.


identifier: Karami, S. (2015). Polylactide Based Nanocomposites : Processing, Structure and Performance Relationship  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les polymères biodégradables sont une alternative aux polymères à base de pétrole pour l'industrie de l'emballage. De plus, les fluctuations du marché pétrolier forcent les manufacturiers à trouver des produits de substitution aux matières premières non renouvelables. L'acide Polyactide (PLA), avec une production à grande échelle, est le polymère biodégradable le plus utilisé.  Cependant, l'utilisation du PLA pour l'emballage est limitée à cause de sa fragilité et de ses faibles propriétés barrières.  L'objectif principal de cette thèse est de comprendre la relation entre les paramètres du procédé, la microstructure et les propriétés du film de PLA. Des nanocomposites de PLA ont été préparés à l'aide d'un procédé de mélange à l'état fondu. La dispersion de plaquettes de nanoparticules traitées par un solvant organique a été caractérisée par WAXS et TEM, démontrant l'intercalation des nanoparticules. Le spectre de relaxation, mesuré en rhéologie dynamique, démontre la présence d'une fraction amorphe à l'interphase polymère-particule. Cette fraction de chaînes amorphes rigides a été évaluée en utilisant un TMDSC et un DMA. Elle augmente avec le pourcentage de nanoparticules et atteint un maximum au moment où il y a agrégation des nanoparticules. La fraction amorphe rigide, telle que mesurée par FR-IR, augmente avec un réarrangement moléculaire suite à un recuit. La cristallisation à froid a été étudiée lors d'essai non isotherme par TMDSC. Les paramètres de l'équation cinétique de cristallisation d'Avrami ont été évalués lors d'essai isotherme sur une plage de température  de Tg+30°C à Tg+70°C. Les paramètres cinétiques évoluent en fonction du pourcentage de nanoparticules qui influencent la fraction amorphe rigide et en fonction de la formation d'une structure interparticulaire. Néanmoins, les nanoparticules agissent comme agent nucléant à une température supérieure à la température de transition vitreuse qui permet le mouvement des chaînes amorphes. Un plus grand nombre d'agents nucléants a pour effet d'augmenter le volume de la fraction amorphe rigide de la structure semi-cristalline. La variation dans le temps de la viscosité complexe à l'état fondu dénote une dégradation du PLA. La caractérisation par NMR a été utilisée pour évaluer l'effet des nanoparticules sur la dégradation de la matrice polymère. Il a été démontré que la dégradation augmentait avec le pourcentage de nanoparticules. Cependant, la stéréorégularité des chaînes de PLA demeure inchangée en présence de nanoparticules. Les propriétés mécaniques ont été mesurées à l'aide d'un tensiomètre Instron. La surface des échantillons obtenus par fracture a été étudiée par SEM et SAXS. Il a été démontré que la ténacité du matériau augmente avec le contenu de nanoparticules dû à une augmentation de la densité dans le cas de fissurations multiples. L'évolution de la structure pendant un étirage à chaud, pour différentes déformations et températures (Tg+10°C et Tg+30°C), a été étudiée hors-ligne par WAXS et SAXS. Il a été constaté qu'une phase mésomorphique s'est développée, dans la direction de l'étirement à TG + 10C, principalement composé de chaînes parallèles à l'étirement avec une densité inférieure à celle des domaines cristallins. Le changement de structure de la mésophase, à la température de fusion, peut servir d'initiateur à un réarrangement de la phase cristalline. Une fraction plus faible dans l'organisation moléculaire intermédiaire a été détectée en présence de nanoparticules que pour le polymère pur, et ce, aux mêmes conditions d'opération. Le glissement des mésophases est responsable du durcissement sous tension pendant la déformation en étirement à la température de la pièce. Il en résulte une augmentation de la ténacité et de la contrainte à la rupture du film. Une structure cristalline sphérulitique s'est développée à partir de points de nucléation durant le procédé d'étirement à une température de TG + 30C. Aucune mésophase n'a été détectée à cette température en raison de la relaxation des chaînes de polymère. Pour des taux de déformation élevés, on a observé une cristallisation sous forme de fibrille due à une nucléation sous forme de points continus. Le flux d'oxygène dans le film a été mesuré à température et humidité relative constantes. Le coefficient de perméabilité a permis d'évaluer la diffusivité et la solubilité à partir du flux en régime transitoire et de la deuxième loi de Fick. Théoriquement, la diffusivité diminue en présence d'un matériau imperméable, de domaines cristallins et de plaquettes de nanoparticules. De plus, la présence de régions amorphes rigides diminue la fraction de volume libre dynamique. La solubilité, quant à elle, augmente avec le pourcentage de nanoparticules dû à une augmentation de la dégradation.  La formation d'agrégat de nanoparticules est aussi responsable d'une augmentation du volume libre statique. La structure moléculaire de l'agent durcissant a été évaluée en utilisant les techniques NMR et FT-IR et a été identifiée comme étant un copolymère éthylène butyle acrylate (ÉBAC) avec un ratio de 10:1. Le mélange PLA/ÉBAC est immiscible et une morphologie à deux phases a été observée au SEM. Une troisième transition vitreuse a été observée par DMA correspondant au développement d'un terpolymère PLA-EBAC à l'interface suite à une réaction de transestérification. L'augmentation de la viscosité à cisaillement nulle est attribuable à la formation non-uniforme de terpolymère à l'interface. Une morphologie inter-reliée a été observée avec l'ajout de nanoparticules qui se retrouvent dans la phase de PLA et qui est responsable de l'augmentation de la ténacité.  ABSTRACT: The application of biodegradable polymers has been offered to the packing industry wishing to overcome the environmental consequence of employing the petroleum-based polymers. Furthermore, the unstable oil market urged the industry to look for the substitution of the renewable resources. Polylactide is known as the most popular biodegradable polymer developed on a large scale. Nevertheless, the growing contribution of polylactide to packing industry is somewhat restricted owing to its inherent brittleness and weak barrier properties. Therefore, the main objective of this thesis was defined to build a fundamental relationship between processing parameters and solid-state microstructure to improve the performance of polylactide. Polylactide nanocomposites were prepared through a multi-step melt compounding process. Dispersion of organically modified layered nanoparticles was detected by the WAXS and TEM characterizations, demonstrating the formation of intercalated nanocomposites. Relaxation spectrum exhibited the restricted dynamics of fraction of amorphous phase confined in polymer-particle interphase through dynamic rheological measurements. The fraction of rigid amorphous chains was estimated using TMDSC and DMA. This increased with nanoparticle content, levelling off upon the aggregation of nanoparticles. The annealing-induced molecular ordering was detected by FR-IR, increasing the rigid amorphous fraction. Cold crystallization was investigated during non-isothermal process using TMDSC. Crystallization kinetic was studied through the evaluation of Avrami parameters in isothermal process at the temperature range of Tg+30°C to Tg+70°C. The crystallization rate depressed with the nanoparticle content due to the enhanced fraction of rigid amorphous chains, as well as, the topological constraints derived from the formation of network structure. Nevertheless, the nanoparticles acted as heterogeneous nucleating sites upon devitrification of the rigid amorphous chains at the temperatures above Tg+60°C. The larger nucleation density resulted in the formation of larger rigid amorphous fraction along the semi-crystalline matrix. The variation of complex viscosity at molten state reflected the degradation of polylactide. The NMR characterization was conducted to investigate the effect of dispersed nanoparticle on the degradation of matrix. It was found that the degradation was accelerated with the nanoparticle content. However, the stereoregularity of polylactide chains remained unchanged in the presence of nanoparticles. Mechanical response was measured using Instron mechanical tester. The fractured surface was analyzed by SEM and SAXS. It was found that, toughness improved with the nanoparticle content due to enhanced occupation density upon multiple crazing. Structural evolutions were investigated during a hot-drawing process, at different initial strain rates and the temperatures of Tg+10°C and Tg+30°C, using WAXS and SAXS offline measurements. A mesomorphic phase was developed along the drawing direction, at Tg+10°C, composed of a bundle of parallel extended molecules with a looser lateral chain packing compared to that of the crystalline domain. The mesophase was disordered at the glass transition temperature of the bulk-like chains acting as the precursor of crystalline ordering. A lower fraction of the intermediate ordering was detected with nanoparticle content than that of the neat polymer at constant processing conditions. The slippage of frozen-in mesophase triggered strain hardening behavior during the stretching process at room temperature. This led to the significant improvement of film toughness and stress at break. Spherulitic crystalline domains were formed upon development of point-like nuclei during the drawing process at Tg+30°C. No mesophase was detected at Tg+30°C, due to the enhanced contribution of chain relaxation. Line-like nuclei were observed at the highest applied strain rate, resulting in the formation of a fibrillar crystalline structure. Oxygen flux density was measured at constant temperature and relative humidity. Permeability coefficient was distinguished to the diffusivity and solubility, through the analysis of the non-steady state flux density with time by an approximate solution of the Fick's second law. The diffusivity decreased in the presence of the impermeable matters, crystalline domains and nanoparticle layers. Furthermore, the restricted dynamics of rigid amorphous fraction decreased the fraction of dynamic free volumes. Solubility increased with the nanoparticle content due to the accelerated degradation. The aggregation of nanoparticles also intensified the accessible static free volume. The chain architecture of toughening modifier was disclosed using NMR and FT-IR. It was believed to be Ethylene-Butyl Acrylate copolymer with the average sequence length of 10:1. A two-phase morphology was detected by SEM for polylactide/toughening modifier immiscible blend. DMA measurements exhibited a third glass transition, corresponding to development of polylactide-ethylene-butyl acrylate terpolymer at the interface through a transesterification reaction. The enhancement of zero shear viscosity of blends attributed to the Marangoni stresses derived from the uneven distribution of in-situ formed terpolymer at the interface. An intermeshed morphology was observed upon the incorporation of the nanoparticles. The nanoparticles were accommodated within the polylactide phase determined by the calculation of wetting parameter. The morphology connectivity led to the outstanding improvement of toughness.


identifier: Marfoq, Y. (2015). Analyse de la propagation des incertitudes et données agrégées en analyse du cycle de vie : évaluation et prise en compte de différents niveaux de corrélations  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les enjeux environnementaux placent le développement durable au coeur des problématiques des entreprises industrielles. C'est dans le cadre des normes ISO 14040 et ISO 14044 que l'Analyse de Cycle de Vie (ACV) s'inscrit comme un outil permettant d'aider ces industries en les éclairant sur leurs interactions avec l'environnement. L'étude s'inscrit dans l'utilisation des outils simplifiés ACV afin de compléter les résultats d'impact obtenus avec des informations sur leurs incertitudes, car elles représentent un élément clé pouvant altérer les conclusions. L'objectif général de l'étude est de donner des informations d'incertitudes sur les résultats d'impacts d'une Analyse de Cycle de Vie, tout en considérant différents niveaux de corrélations intervenant dans la propagation de ces incertitudes au sein du cycle de vie du produit ou du service. Afin d'arriver à satisfaire cet objectif général, l'étude se divise en quatre objectifs spécifiques : – L'évaluation de la sensibilité d'une hypothèse de corrélation intradonnées qui est généralement faite dans le calcul des incertitudes des impacts en ACV. Pour cela les informations d'incertitudes sont déterminées avec puis sans cette hypothèse, puis les différents résultats obtenus sont comparés. – La prise en compte de corrélation (intrasystème) entre les différents impacts agrégés des processus utilisés dans les logiciels ACV simplifiés lors de l'évaluation des incertitudes des impacts d'un système complet. La part des covariances dans la variance totale du système est déterminée afin de savoir son importance. – La prise en compte de la corrélation (intersystème) entre deux systèmes de produits agrégés lors de la comparaison de leurs impacts. Cela permet de nuancer la comparaison des impacts de deux systèmes de produits afin de savoir quelle est la probabilité que l'un soit meilleur que l'autre. – La réalisation d'une preuve de concept avec une étude de cas proposé par un partenaire industriel. L'outil réalisé doit répondre aux attentes des industriels en terme de simplicité d'utilisation, de clarté des résultats et de rapidité d'exécution des calculs. La méthodologie utilisée consiste à évaluer ces trois niveaux de corrélation lors de la propagation des incertitudes, puis de les considérer dans les résultats apportés par l'outil qui est réalisé. L'étude réalisée a permis de savoir que la propagation des impacts n'est relativement pas sensible à l'hypothèse de corrélation intradonnées. Cependant, la corrélation intrasystème change considérablement les résultats des incertitudes des impacts d'un système de produit. De plus, l'outil développé permet de vérifier que les attentes des industriels en terme de simplicité, rapidité et clarté sont atteintes. Il est donc possible d'intégrer des informations d'incertitudes aux logiciels ACV simplifiés tout en considérant les différents niveaux de corrélations présentés dans l'étude.  ABSTRACT: The environmental stake chanllenges the requierments of the industrial buisnesses. Within the framework of ISO 14040 and ISO 14044 standard, the Life Cycle Assessment (LCA) is a tool helping industries to know how they interact with the environment. The research frames in the use of simplified tools, the LCA in order to obtain the impact results with the informations on the uncertainty, which is a key when drawing conclusions. The main purpose of the research is to set the uncertainties of the impact results of an LCA, considering the different correlation levels involved in the propagation of the uncertainties within the life cycle of a product or service. To satisfy this aim, the research is divided in four goals. – The estimation of the sensitivity of an intradata correlation assumption is computed with the uncertainties impacts in LCA. To do this, the information concerning the uncertainties are determined with and without this assumption. Then the different results are compared. – The inclusion of the correlation (intrasystem) between the differents aggregated impacts of the used processes in the LCA simplified software when evaluating the impacts uncertainties of the whole system. The importance of the covariance in the calculation of variance is quantified. – The inclusion of the correlation,(intersystem) comparing two system of the aggregated products in comparaison of the impacts of two systems of products to determine the propability that one will be better than the other.  - Realizing a proof of concept applying the research to a case study with an industrial partener. The used tool has to meet the new manufacturers' expectations with a new technology which requires less time, less energy, less space and less labour. The methodology constitutes to evaluate the three correlation levels regarding the propagation uncertainties, and to consider the results that the tool brings. The research evaluates the propagation impacts is not really sensitive to the hyposthisis of the intradata correlation. However, the intrasystem correlation changes considerably the results of the impacts uncertainties of an aggregated product system. In addition, the developed tool allows to meet the industrial expecations in terms of simplicity, time and clarity. It is possible to integrate the uncertainties information to simplified LCA softwares considering the different levels of the correlation see in the research.


identifier: Phan, T. V. (2015). Développement et validation d'un système automatique de classification de la dégénérescence maculaire liée à l'âge  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) est une des principales causes de déficience visuelle menant à une cécité irréversible chez les personnes âgées dans les pays industrialisés. Cette maladie regroupe une variété d'anomalies touchant la macula, se présentant sous diverses formes. Un des moyens les plus couramment utilisés pour rapidement examiner la rétine est la photographie de fond d'œil. À partir de ces images, il est déjà possible de détecter et de poser un diagnostic sur l'avancée de la maladie. Une classification recommandée pour évaluer la DMLA est la classification simplifiée de l'AREDS qui consiste à diviser la maladie en quatre catégories : non-DMLA, précoce, modérée, et avancée. Cette classification aide à déterminer le traitement spécifique le plus optimal. Elle se base sur des critères quantitatifs mais également qualitatifs, ce qui peut entrainer des variabilités inter- et intra-expert. Avec le vieillissement de la population et le dépistage systématique, le nombre de cas de DMLA à être examinés et le nombre d'images à être analysées est en augmentation rendant ainsi le travail long et laborieux pour les cliniciens. C'est pour cela, que des méthodes automatiques de détection et de classification de la DMLA ont été proposées, afin de rendre le processus rapide et reproductible. Cependant, il n'existe aucune méthode permettant une classification du degré de sévérité de la DMLA qui soit robuste à la qualité de l'image. Ce dernier point est important lorsqu'on travaille dans un contexte de télémédecine. Dans ce projet, nous proposons de développer et valider un système automatique de classification de la DMLA qui soit robuste à la qualité de l'image. Pour ce faire, nous avons d'abord établi une base de données constituée de 159 images, représentant les quatre catégories de l'AREDS et divers niveaux de qualité d'images. L'étiquetage de ces images a été réalisé par un expert en ophtalmologie et nous a servi de référence. Ensuite, une étude sur l'extraction de caractéristiques nous a permis de relever celles qui étaient pertinentes et de configurer les paramètres pour notre application. Nous en avons conclu que les caractéristiques de texture, de couleur et de contexte visuel semblaient les plus intéressantes. Nous avons effectué par après une étape de sélection afin de réduire la dimensionnalité de l'espace des caractéristiques. Cette étape nous a également permis d'évaluer l'importance des différentes caractéristiques lorsqu'elles étaient combinées ensemble.  ABSTRACT: Age-related macular degeneration (AMD) is the leading cause of visual deficiency and legal blindness in the elderly population in industrialized countries. This disease is a group of heterogeneous disorders affecting the macula. For eye examination, a common used modality is the fundus photography because it is fast and non-invasive procedure which may establish a diagnostic on the stage of the disease. A recommended classification for AMD is the simplified classification of AREDS which divides the disease into four categories: non-AMD, early, moderate and advanced. This classification is helpful to determine the optimal and specific treatment. It is based on quantitative criteria but also on qualitative ones, introducing inter- and intra-expert variability. Moreover, with the aging population and systematic screening, more cases of AMD must be examined and more images must be analyzed, rendering this task long and laborious for clinicians. To address this problem, automatic methods for AMD classification were then proposed for a fast and reproducible process. However, there is no method performing AMD severity classification which is robust to image quality. This last part is especially important in a context of telemedicine where the acquisition conditions are various. The aim of this project is to develop and validate an automatic system for AMD classification which is robust to image quality. To do so, we worked with a database of 159 images, representing the different categories at various levels of image quality. The labelling of these images is realized by one expert and served as a reference. A study on feature extraction is carried out to determine relevant features and to set the parameters for this application. We conclude that features based on texture, color and visual context are the most interesting. After, a selection is applied to reduce the dimensionality of features space. This step allows us to evaluate the feature relevance when all the features are combined. It is shown that the local binary patterns applied on the green channel are the most the discriminant features for AMD classification. Finally, different systems for AMD classification were modeled and tested to assess how the proposed method classifies the fundus images into the different categories. The results demonstrated robustness to image quality and also that our method outperforms the methods proposed in the literature. Errors were noted on images presenting diabetic retinopathy, visible choroidal vessels or too much degradation caused by artefacts. In this project, we propose the first AMD severities classification robust to image quality.