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The use of Electron Beam Melting process (EBM) in the industrial scale needs the mastering of the global quality of the produced parts. Nowadays, some part geometries remain challenging to produce and present geometrical defects of large amplitudes. This is the case of overhang geometries that result in defects such as loss of edge, warping, etc. Mastering these defects requires a good understanding of the thermomechanical phenomena that occurs during the manufacturing. The present work analyzes overhang geometries defects through experimental and numerical approaches. Initially, an in-depth analysis of the digital chain allows us to determine the manufacturing process parameters (beam current and speed, layer time, etc.) which are effectively used during the experimental process. Geometrical defects of several batches produced in different configurations are characterized and analyzed. The manufacturing parameters influencing the defects dispersion are identified, as well as the thermomechanical phenomena responsible for their appearance. Then, a detailed thermomechanical simulation of the processis developed using the process parameters identified previously and their evolutions. The simulation is based on the element birth activation technique to represent the addition of new layers. This simulation is done in two steps, a thermal simulation followed by a thermomechanical simulation. Rapid simulation models, derived from the literature, are adapted in the last part of the thesis (inherent strain, etc.). An original model that uses the temperature variation curves is also developed and leads to more accurate simulation results., L’utilisation du procédé de fusion par faisceau d’électrons EBM dans le monde industriel impose la maîtrise de la qualité finale des pièces produites. A l’heure actuelle, certaines géométries de pièces restent difficiles à produire et présentent des défauts géométriques de grandes amplitudes. C’est le cas des géométries en surplomb qui donnent lieu à des défauts de type : perte de bord, warping, etc. La maîtrise de ces défauts nécessite une bonne compréhension des phénomènes thermomécaniques en jeu. L' objet des travaux présentés dans ce manuscrit est d’analyser les principaux phénomènes responsables des défauts des surplombs, grâce à une approche expérimentale et des approches numériques. Dans un premier temps, une analyse approfondie de la chaîne numérique du procédé permet de déterminer les variations des paramètres durant la fabrication (courant et vitesse du faisceau, temps de couches, etc.). Cette connaissance approfondie des paramètres est utilisée par la suite lors de l’analyse expérimentale du procédé et du paramétrage des simulations. Les défauts géométriques de plusieurs lots produits suivant différentes configurations sont caractérisés et analysés. Les paramètres de fabrication influençant les dispersions des défauts sont identifiés, ainsi que les phénomènes thermomécaniques responsables de leur apparition. Ensuite, une simulation thermomécanique détaillée du procédé est mise en place. Elle est basée sur l’activation d’éléments pour reproduire le processus de fabrication additive par balayage et par couches successives. Elle est conduite en deux phases, une phase de simulation purement thermique et une phase de simulation thermomécanique. Cette simulation coûteuse en temps de calcul est complétée par des modèles de simulation rapide, présentés dans la dernière partie du document avec en particulier une méthode réalisée en une seule phase basée sur les courbes de variation de température dans la pièce.

The use of Electron Beam Melting process (EBM) in the industrial scale needs the mastering of the global quality of the produced parts. Nowadays, some part geometries remain challenging to produce and present geometrical defects of large amplitudes. This is the case of overhang geometries that result in defects such as loss of edge, warping, etc. Mastering these defects requires a good understanding of the thermomechanical phenomena that occurs during the manufacturing. The present work analyzes overhang geometries defects through experimental and numerical approaches. Initially, an in-depth analysis of the digital chain allows us to determine the manufacturing process parameters (beam current and speed, layer time, etc.) which are effectively used during the experimental process. Geometrical defects of several batches produced in different configurations are characterized and analyzed. The manufacturing parameters influencing the defects dispersion are identified, as well as the thermomechanical phenomena responsible for their appearance. Then, a detailed thermomechanical simulation of the process is developed using the process parameters identified previously and their evolutions. The simulation is based on the element birth activation technique to represent the addition of new layers. This simulation is done in two steps, a thermal simulation followed by a thermomechanical simulation. Rapid simulation models, derived from the literature, are adapted in the last part of the thesis (inherent strain, etc.). An original model that uses the temperature variation curves is also developed and leads to more accurate simulation results.; L’utilisation du procédé de fusion par faisceau d’électrons EBM dans le monde industriel impose la maîtrise de la qualité finale des pièces produites. A l’heure actuelle, certaines géométries de pièces restent difficiles à produire et présentent des défauts géométriques de grandes amplitudes. C’est le cas des géométries en surplomb qui donnent lieu à des défauts de type : perte de bord, warping, etc. La maîtrise de ces défauts nécessite une bonne compréhension des phénomènes thermomécaniques en jeu. L’objet des travaux présentés dans ce manuscrit est d’analyser les principaux phénomènes responsables des défauts des surplombs, grâce à une approche expérimentale et des approches numériques. Dans un premier temps, une analyse approfondie de la chaîne numérique du procédé permet de déterminer les variations des paramètres durant la fabrication (courant et vitesse du faisceau, temps de couches, etc.). Cette connaissance approfondie des paramètres est utilisée par la suite lors de l’analyse expérimentale du procédé et du paramétrage des simulations. Les défauts géométriques de plusieurs lots produits suivant différentes configurations sont caractérisés et analysés. Les paramètres de fabrication influençant les dispersions des défauts sont identifiés, ainsi que les phénomènes thermomécaniques responsables de leur apparition. Ensuite, une simulation thermomécanique détaillée du procédé est mise en place. Elle est basée sur l’activation d’éléments pour reproduire le processus de fabrication additive par balayage et par couches successives. Elle est conduite en deux phases, une phase de simulation purement thermique et une phase de simulation thermomécanique. Cette simulation coûteuse en temps de calcul est complétée par des modèles de simulation rapide, présentés dans la dernière partie du document avec en particulier une méthode réalisée en une seule phase basée sur les courbes de variation de température dans la pièce.

The “Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM)” seeks to improve the measurement of primary pressure standards done using pressure balances, to an order of 10-6 relative uncertainty. Therefore, it is appropriate to back-up these pressure balances with a measurement of the topology of the piston-cylinder devices used on these balances. Cylindricity measurement is also found in many industrial applications such as the measurement of standards used for the calibration of measuring machines. This research project, conducted in collaboration with SAS GEOMNIA under a CIFRE agreement, has a main objet to develop a new ultra-high precision machine for cylinders form measurement. We pushes with this project the leading edge of the cylinders form measurement area; we propose indeed a technological leap which leads to reduce the uncertainty associated to cylindricity errors up to 10 nm in a cylindrical working volume of 350 mm diameter rand 150 mm height. Form measurement is usually done using a measurement probe moved about the surface to be measured with high precision guiding systems. Nonetheless, these guiding systems are not precise enough to offer the low uncertainty required even when error correction techniques are used. This is because the precision of the guides is limited by their low repeatability. To meet this uncertainty level, we propose an approach based on the “dissociated metrological structure” concept. The measurement consists of comparing the artifact's form with the form of a cylindrical reference which should have perfect form stability. However, the mapping form deviation of this cylindrical reference needs to be identified at the same level of uncertainty referred.The present work exposes a detailed analysis of the existing measuring machines and their limitations. Consequently, an optimized machine architecture is proposed in order to overcome the present limitations. The proposed machine architecture takes into account the "secondary" error terms relative to the probes positions and second order effects in order to satisfy the level of accuracy sought. A complete calibration procedure of the machine has been elaborated based on the error separation methods; it allows the separation of the form errors of each of the reference cylinder and a qualification cylindrical part simultaneously measured. This procedure does not present any accuracy limitations and has been experimentally verified. An analysis of the effects related to the measurement of cylindrical artifacts using capacitive sensors has also been investigated. These experiments have led to the development of in-situ calibration strategies using laser interferometers integrated in the machine. Thus, the metrological traceability of the measurements is guaranteed. Two test benches have been developed to characterize the error sources that influence the measurement and to validate the calibration procedures of the probes used. The detailed design of the instrument synthesizes all the conceptual thoughts about the architecture, the calibration and the displacement measurement of the capacitive probes. This work has resulted in the development of this new reference instrument; its design, installation and adjustment are detailed.; Le Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM) souhaite affiner sa maîtrise des références de pression afin de réaliser des appareillages de tout premier rang au niveau international. L'incertitude relative visée sur les références de pression est de l'ordre de 10-6. Cet objectif se traduit par une problématique de métrologie dimensionnelle où une mesure de la forme des pistons/cylindres utilisés dans les balances manométriques doit être menée. La mesure de cylindricité est également impliquée dans un très grand nombre d'applications industrielles comme la qualification d'étalons de référence destinés à la qualification d'appareillages de mesure. Notre travail de recherche, réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE avec la SAS GEOMNIA, concerne la réalisation d'un instrument de référence de très haute précision permettant la mesure de forme de cylindres creux ou pleins. Nous proposons un saut technologique pour satisfaire un niveau d'incertitude sur la mesure de l'écart de cylindricité de l'ordre de 10 nanomètres dans un volume de mesure cylindrique de Ø350 mm et de hauteur 150 mm. La mesure de forme est habituellement pratiquée en déplaçant un capteur par rapport à la surface à mesurer par un guidage de haute précision. Il n'est cependant pas possible de réaliser un guidage entre deux solides d'un niveau de précision permettant de garantir les incertitudes souhaitées, même en utilisant les techniques de correction d'erreurs dont la précision est limitée par le défaut de répétabilité des guidages. Pour satisfaire à ce niveau d'incertitude, nous proposons une démarche basée sur le concept de structure métrologique dissociée. La mesure d'une pièce consiste alors à comparer sa forme à celle d'une pièce cylindrique de référence. Cette dernière doit seulement présenter une stabilité de forme parfaite. La cartographie d'écart de forme de la référence cylindrique doit cependant être identifiée au même niveau d'incertitude visé.Le travail de recherche développé propose une analyse détaillée des machines actuelles et de leurs limitations. Suite à cette analyse, une architecture de machine a été proposée pour lever ces limitations. Cette architecture tient compte des écarts « secondaires » liés à la position des capteurs et des effets de second ordre, pour satisfaire le niveau de précision visé. Une procédure complète d'étalonnage de la machine a été élaborée en s'inspirant des méthodes de séparation d'erreurs. Cette procédure originale permet de séparer les défauts de forme du cylindre de référence de ceux d'une pièce de qualification cylindrique mesurée simultanément. La méthode employée ne présente pas de limitations en termes d'exactitude. Cette procédure a été expérimentalement validée. Une analyse des effets liés à la mesure de surfaces cylindriques par des capteurs capacitifs a été menée. Ces essais ont conduit au développement de stratégies d'étalonnage de ces capteurs in situ utilisant des interféromètres à laser intégrés dans la machine. La traçabilité métrologique des résultats des mesures est ainsi garantie. Deux bancs de tests ont été développés pour caractériser les diverses influences et valider les procédures d'étalonnage des capteurs. La conception détaillée de l'instrument est issue de la synthèse des réflexions menées sur l'architecture, sur l'étalonnage et sur la maîtrise de la mesure de déplacements par capteurs capacitifs. Ce travail a abouti à la réalisation de ce nouvel instrument de référence ; sa conception, son montage et son réglage sont présentés.

The “Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM)” seeks to improve the measurement of primary pressure standards done using pressure balances, to an order of 10-6 relative uncertainty. Therefore, it is appropriate to back-up these pressure balances with a measurement of the topology of the piston-cylinder devices used on these balances. Cylindricity measurement is also found in many industrial applications such as the measurement of standards used for the calibration of measuring machines. This research project, conducted in collaboration with SAS GEOMNIA under a CIFRE agreement, has a main objet to develop a new ultra-high precision machine for cylinders form measurement. We pushes with this project the leading edge of the cylinders form measurement area; we propose indeed a technological leap which leads to reduce the uncertainty associated to cylindricity errors up to 10 nm in a cylindrical working volume of 350 mm diameter rand 150 mm height. Form measurement is usually done using a measurement probe moved about the surface to be measured with high precision guiding systems. Nonetheless, these guiding systems are not precise enough to offer the low uncertainty required even when error correction techniques are used. This is because the precision of the guides is limited by their low repeatability. To meet this uncertainty level, we propose an approach based on the “dissociated metrological structure” concept. The measurement consists of comparing the artifact's form with the form of a cylindrical reference which should have perfect form stability. However, the mapping form deviation of this cylindrical reference needs to be identified at the same level of uncertainty referred.The present work exposes a detailed analysis of the existing measuring machines and their limitations. Consequently, an optimized machine architecture is proposed in order to overcome the present limitations. The proposed machine architecture takes into account the "secondary" error terms relative to the probes positions and second order effects in order to satisfy the level of accuracy sought. A complete calibration procedure of the machine has been elaborated based on the error separation methods; it allows the separation of the form errors of each of the reference cylinder and a qualification cylindrical part simultaneously measured. This procedure does not present any accuracy limitations and has been experimentally verified. An analysis of the effects related to the measurement of cylindrical artifacts using capacitive sensors has also been investigated. These experiments have led to the development of in-situ calibration strategies using laser interferometers integrated in the machine. Thus, the metrological traceability of the measurements is guaranteed. Two test benches have been developed to characterize the error sources that influence the measurement and to validate the calibration procedures of the probes used. The detailed design of the instrument synthesizes all the conceptual thoughts about the architecture, the calibration and the displacement measurement of the capacitive probes. This work has resulted in the development of this new reference instrument; its design, installation and adjustment are detailed., Le Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM (LCM) souhaite affiner sa maîtrise des références de pression afin de réaliser des appareillages de tout premier rang au niveau international. L'incertitude relative visée sur les références de pression est de l'ordre de 10-6. Cet objectif se traduit par une problématique de métrologie dimensionnelle où une mesure de la forme des pistons/cylindres utilisés dans les balances manométriques doit être menée. La mesure de cylindricité est également impliquée dans un très grand nombre d'applications industrielles comme la qualification d'étalons de référence destinés à la qualification d'appareillages de mesure. Notre travail de recherche, réalisé dans le cadre d'une convention CIFRE avec la SAS GEOMNIA, concerne la réalisation d'un instrument de référence de très haute précision permettant la mesure de forme de cylindres creux ou pleins. Nous proposons un saut technologique pour satisfaire un niveau d'incertitude sur la mesure de l'écart de cylindricité de l'ordre de 10 nanomètres dans un volume de mesure cylindrique de Ø350 mm et de hauteur 150 mm. La mesure de forme est habituellement pratiquée en déplaçant un capteur par rapport à la surface à mesurer par un guidage de haute précision. Il n'est cependant pas possible de réaliser un guidage entre deux solides d'un niveau de précision permettant de garantir les incertitudes souhaitées, même en utilisant les techniques de correction d'erreurs dont la précision est limitée par le défaut de répétabilité des guidages. Pour satisfaire à ce niveau d'incertitude, nous proposons une démarche basée sur le concept de structure métrologique dissociée. La mesure d'une pièce consiste alors à comparer sa forme à celle d'une pièce cylindrique de référence. Cette dernière doit seulement présenter une stabilité de forme parfaite. La cartographie d'écart de forme de la référence cylindrique doit cependant être identifiée au même niveau d'incertitude visé.Le travail de recherche développé propose une analyse détaillée des machines actuelles et de leurs limitations. Suite à cette analyse, une architecture de machine a été proposée pour lever ces limitations. Cette architecture tient compte des écarts « secondaires » liés à la position des capteurs et des effets de second ordre, pour satisfaire le niveau de précision visé. Une procédure complète d'étalonnage de la machine a été élaborée en s'inspirant des méthodes de séparation d'erreurs. Cette procédure originale permet de séparer les défauts de forme du cylindre de référence de ceux d'une pièce de qualification cylindrique mesurée simultanément. La méthode employée ne présente pas de limitations en termes d'exactitude. Cette procédure a été expérimentalement validée. Une analyse des effets liés à la mesure de surfaces cylindriques par des capteurs capacitifs a été menée. Ces essais ont conduit au développement de stratégies d'étalonnage de ces capteurs in situ utilisant des interféromètres à laser intégrés dans la machine. La traçabilité métrologique des résultats des mesures est ainsi garantie. Deux bancs de tests ont été développés pour caractériser les diverses influences et valider les procédures d'étalonnage des capteurs. La conception détaillée de l'instrument est issue de la synthèse des réflexions menées sur l'architecture, sur l'étalonnage et sur la maîtrise de la mesure de déplacements par capteurs capacitifs. Ce travail a abouti à la réalisation de ce nouvel instrument de référence ; sa conception, son montage et son réglage sont présentés.

International audience; Les réseaux de capteurs constituent actuellement un domaine d'étude et de recherche particulièrement privilégié. Les évolutions technologiques des capteurs et de leurs moyens de communication permettent d'imaginer des applications nouvelles pour un futur relativement proche. Parmi ces applications, nous nous sommes, pour notre part, focalisés sur la métrologie dimensionnelle. Ce papier a donc pour vocation, dans un premier temps, à recenser les différents travaux de recherche qui utilisent les réseaux capteurs sans fil (ou Wireless Sensor Networks) à des fins de métrologie dimensionnelle. Dans un second temps, ce papier propose un principe d'auto-mesure d'un produit embarquant un réseau de capteur sans fil.

Scanning probe microscopes are very well used for characterization at the nanometer scale. To ensure the measurement coherency and the accuracy of the results, those microscopes need to be periodically calibrated. It's done thanks to reference standards whose dimensional characteristics are measured by a metrological atomic force microscope (mAFM) for example. The aim of this thesis work is to develop in France the first metrological atomic force microscope in order to calibrate the reference standards that are used in scanning probe microscopy. Displacement range is about 60 μm in the horizontal plane and 15 μm along the vertical axis. Dimensional measurements of the tip-sample relative position are achieved with four differential interferometers whose laser wavelengths are calibrated in order to perform direct traceability to the length standard. The tip sample relative position uncertainty is about one nanometer for the whole range. The conception of this metrological AFM is lead through four main design rules: (i) the minimization of Abbe errors, (ii) the optimization of the metrological loop, (iii) the reduction of thermal effects during the measurement process and (iv) the optimization of ambient interferometrical measurement.; Les microscopes en champ proche sont très largement utilisés pour caractériser des propriétés physiques à l'échelle du nanomètre. Afin d'assurer la cohérence des mesures et l'exactitude des résultats mesurés, ces microscopes ont besoin d'être étalonnés périodiquement. Ce raccordement à la définition de l'unité de longueur est assuré par le biais d'étalons de transfert dont les caractéristiques dimensionnelles peuvent être mesurées à l'aide d'un microscope à force atomique métrologique. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de développer en France le premier microscope à force atomique métrologique (mAFM) capable d'étalonner ces échantillons de référence. Il s'agit d'un AFM dont les courses disponibles sont de 60 μm dans le plan horizontal et 15 μm suivant l'axe vertical. Les mesures de la position relative de la pointe AFM par rapport à l'échantillon sont réalisées à l'aide d'interféromètres différentiels dont la longueur d'onde est étalonnée afin d'assurer un raccordement direct à la définition du mètre étalon. Les incertitudes de mesure de la position de la pointe par rapport à l'échantillon sont de l'ordre du nanomètre. Quatre axes de développement concourent à cet objectif : (i) la minimisation des erreurs d'Abbe, (ii) l'optimisation de la chaîne métrologique, (iii) la réduction des effets thermiques sur le processus de

Despite the presence of high performance apparatus such as electronic and near-field microscopes, the capacity to measure nanoscale dimensions with uncertainties down to some nanometers constitutes a real technological obstacle for the mass production of millimeter scale components with nanoscale characteristics. The work realized during this thesis is intended to control at the nanoscale level, over a range of some millimeters, the position of a sample-holder, mainly aimed to microscopy. The system comprises a mechanical translation stage, an interferometric position measurement, high-frequency electronics, and a closed loop control. The displacement system has a dual stage actuator architecture where the first stage is a long-range translation stage, and the second is a piezoelectric actuator allowing rectifying the positioning errors of the first stage. The system allows millimeter range displacements in the X-Y plane with a resolution and repeatability at the nanoscale level. The device was integrated into an atomic force microscope and a scanning near-field optical microscope in order to obtain, at the same time, millimeter-sized and highly resolved images. Topographic and near-field optical images with length higher than 1 mm have been realized in order to show the performances of the system.; Malgré la présence d'appareils très performants tels que les microscopes électroniques et en champ proche, les capacités à mesurer des dimensions nanométriques avec des incertitudes de quelques nanomètres constitue un véritable verrou technologique pour la fabrication en grand volume de composants de taille millimétrique mais aux caractéristiques nanométriques. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de contrôler avec des performances nanométriques, sur une plage de quelques millimètres, le positionnement d'un porte-échantillon, essentiellement dédié à la microscopie. Le système comprend des platines de déplacement mécanique, une mesure par interférométrie, une électronique haute-fréquence et des lois de commandes pour l'asservissement. Le système de déplacement est constitué de deux étages ; le premier est une platine de translation qui permet de faire des " longues distances ", et le second est un actionneur piézoélectrique qui permet de corriger les défauts du premier. Le système ainsi réalisé permet des déplacements dans les deux directions du plan X-Y avec des résolutions et des répétabilités de l'ordre du nanomètre. Ce dispositif a été intégré à un microscope à force atomique et à un microscope optique en champ proche dans le but de réaliser des images de tailles millimétriques et en même temps hautement résolues. Des images de topographie et des images optiques en champ proche de tailles supérieures à 1 mm de long viennent démontrer les performances du système.

Scanning probe microscopes are very well used for characterization at the nanometer scale. To ensure the measurement coherency and the accuracy of the results, those microscopes need to be periodically calibrated. It's done thanks to reference standards whose dimensional characteristics are measured by a metrological atomic force microscope (mAFM) for example. The aim of this thesis work is to develop in France the first metrological atomic force microscope in order to calibrate the reference standards that are used in scanning probe microscopy. Displacement range is about 60 μm in the horizontal plane and 15 μm along the vertical axis. Dimensional measurements of the tip-sample relative position are achieved with four differential interferometers whose laser wavelengths are calibrated in order to perform direct traceability to the length standard. The tip sample relative position uncertainty is about one nanometer for the whole range. The conception of this metrological AFM is lead through four main design rules: (i) the minimization of Abbe errors, (ii) the optimization of the metrological loop, (iii) the reduction of thermal effects during the measurement process and (iv) the optimization of ambient interferometrical measurement., Les microscopes en champ proche sont très largement utilisés pour caractériser des propriétés physiques à l'échelle du nanomètre. Afin d'assurer la cohérence des mesures et l'exactitude des résultats mesurés, ces microscopes ont besoin d'être étalonnés périodiquement. Ce raccordement à la définition de l'unité de longueur est assuré par le biais d'étalons de transfert dont les caractéristiques dimensionnelles peuvent être mesurées à l'aide d'un microscope à force atomique métrologique. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de développer en France le premier microscope à force atomique métrologique (mAFM) capable d'étalonner ces échantillons de référence. Il s'agit d'un AFM dont les courses disponibles sont de 60 μm dans le plan horizontal et 15 μm suivant l'axe vertical. Les mesures de la position relative de la pointe AFM par rapport à l'échantillon sont réalisées à l'aide d'interféromètres différentiels dont la longueur d'onde est étalonnée afin d'assurer un raccordement direct à la définition du mètre étalon. Les incertitudes de mesure de la position de la pointe par rapport à l'échantillon sont de l'ordre du nanomètre. Quatre axes de développement concourent à cet objectif : (i) la minimisation des erreurs d'Abbe, (ii) l'optimisation de la chaîne métrologique, (iii) la réduction des effets thermiques sur le processus de

Despite the presence of high performance apparatus such as electronic and near-field microscopes, the capacity to measure nanoscale dimensions with uncertainties down to some nanometers constitutes a real technological obstacle for the mass production of millimeter scale components with nanoscale characteristics. The work realized during this thesis is intended to control at the nanoscale level, over a range of some millimeters, the position of a sample-holder, mainly aimed to microscopy. The system comprises a mechanical translation stage, an interferometric position measurement, high-frequency electronics, and a closed loop control. The displacement system has a dual stage actuator architecture where the first stage is a long-range translation stage, and the second is a piezoelectric actuator allowing rectifying the positioning errors of the first stage. The system allows millimeter range displacements in the X-Y plane with a resolution and repeatability at the nanoscale level. The device was integrated into an atomic force microscope and a scanning near-field optical microscope in order to obtain, at the same time, millimeter-sized and highly resolved images. Topographic and near-field optical images with length higher than 1 mm have been realized in order to show the performances of the system., Malgré la présence d'appareils très performants tels que les microscopes électroniques et en champ proche, les capacités à mesurer des dimensions nanométriques avec des incertitudes de quelques nanomètres constitue un véritable verrou technologique pour la fabrication en grand volume de composants de taille millimétrique mais aux caractéristiques nanométriques. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont pour but de contrôler avec des performances nanométriques, sur une plage de quelques millimètres, le positionnement d'un porte-échantillon, essentiellement dédié à la microscopie. Le système comprend des platines de déplacement mécanique, une mesure par interférométrie, une électronique haute-fréquence et des lois de commandes pour l'asservissement. Le système de déplacement est constitué de deux étages ; le premier est une platine de translation qui permet de faire des " longues distances ", et le second est un actionneur piézoélectrique qui permet de corriger les défauts du premier. Le système ainsi réalisé permet des déplacements dans les deux directions du plan X-Y avec des résolutions et des répétabilités de l'ordre du nanomètre. Ce dispositif a été intégré à un microscope à force atomique et à un microscope optique en champ proche dans le but de réaliser des images de tailles millimétriques et en même temps hautement résolues. Des images de topographie et des images optiques en champ proche de tailles supérieures à 1 mm de long viennent démontrer les performances du système.

National audience; Dans le cadre du programme de recherche et développement du LNE, un nouveau banc d'étalonnage de micromètres objets a été mis en place. Ce banc repose sur l'utilisation d'un système optique de détection composé d'un microscope optique couplé à une caméra CCD, et d'un système interférométrique pour la mesure de distance. Ce dernier permet d'assurer la traçabilité des mesures au Système international d'unités (SI). Cet article présente les choix techniques de conception du banc ainsi que les résultats de plusieurs comparaisons et le budget d'incertitude associé. L'incertitude type sur la mesure de distance entre traits est u(d) = [20^2 + (2,4 × L)^2]^1/2, où u(d) est en nanomètre et L, longueur du micromètre, est en millimètre.

This work concerns the field of the dimensional nanometrology, more particularly dedicated to positioning and displacements of mechanical stage on millimetre ranges. One will find details concerning the original methods developed at the laboratory, associating mechanical precision, optical sensors and high-frequency electronics which enabled to obtain many experimental results in this field. We are pointing out two spheres of activities more particularly. The first relates to the displacement of a carry-sample stage for applications in partnership with near-field microscopy and lithography where it is necessary to carry out millimetre-length displacements in a plan with repeatabilities of about one nanometer. The second relates to the balance of watt of the Laboratoire National d'Essai where it is necessary to move a mass along an axis at uniform 2 mm.s-1 with an accuracy of 10-9 in relative value.; Ces travaux portent sur le domaine de la nanométrologie dimensionnelle, plus particulièrement dédiée aux positionnements et aux déplacements de platines mécaniques sur des courses millimétriques. On y trouvera des détails concernant les méthodes originales développées au laboratoire, associant mécanique de précision, capteurs optiques et électronique haute fréquence qui ont permis d'obtenir de nombreux résultats expérimentaux dans ce domaine. L'accent est mis sur deux champs d'action plus particulièrement. Le premier concerne le déplacement d'une platine porte-échantillon pour des applications en association avec la microscopie en champ proche et la lithographie où il est nécessaire d'effectuer des déplacements millimétriques dans un plan avec des répétabilités de l'ordre du nanomètre. Le second concerne la balance du watt du Laboratoire National d'Essai où il est nécessaire de déplacer une masse le long d'un axe à une vitesse uniforme de 2 mm.s-1 avec une exactitude de 10-9 en valeur relative.

This work concerns the field of the dimensional nanometrology, more particularly dedicated to positioning and displacements of mechanical stage on millimetre ranges. One will find details concerning the original methods developed at the laboratory, associating mechanical precision, optical sensors and high-frequency electronics which enabled to obtain many experimental results in this field. We are pointing out two spheres of activities more particularly. The first relates to the displacement of a carry-sample stage for applications in partnership with near-field microscopy and lithography where it is necessary to carry out millimetre-length displacements in a plan with repeatabilities of about one nanometer. The second relates to the balance of watt of the Laboratoire National d'Essai where it is necessary to move a mass along an axis at uniform 2 mm.s-1 with an accuracy of 10-9 in relative value., Ces travaux portent sur le domaine de la nanométrologie dimensionnelle, plus particulièrement dédiée aux positionnements et aux déplacements de platines mécaniques sur des courses millimétriques. On y trouvera des détails concernant les méthodes originales développées au laboratoire, associant mécanique de précision, capteurs optiques et électronique haute fréquence qui ont permis d'obtenir de nombreux résultats expérimentaux dans ce domaine. L'accent est mis sur deux champs d'action plus particulièrement. Le premier concerne le déplacement d'une platine porte-échantillon pour des applications en association avec la microscopie en champ proche et la lithographie où il est nécessaire d'effectuer des déplacements millimétriques dans un plan avec des répétabilités de l'ordre du nanomètre. Le second concerne la balance du watt du Laboratoire National d'Essai où il est nécessaire de déplacer une masse le long d'un axe à une vitesse uniforme de 2 mm.s-1 avec une exactitude de 10-9 en valeur relative.

Dimensional metrology is of prime importance in the industrial and scientific domains, particularly in the field of quality control of manufactured products. In robotics too: without dimensional sensors, robots would be nothing else more than automatons, going through the same repetitive tasks again and again in a carefully controlled environment. This thesis deals with a noncontact measurement technique involving active vision, called triangulation under laser plane lighting. This optomechatronic method consists in projecting a laser sheet on an object or a surface under test, and analyzing the intersecting curve on an image taken by a camera. It allows making a wide variety of dimensional, noncontact and nondestructive, measurements (length, area, volume, diameter, curvature, reverse engineering,...). The original approach of the work is that the focus is brought on the determination of specific, restricted dimensional information on objects of diverse, but a priori known, shapes with the objective of achieving metrological performances in agreement with the industrial requirements. Furthermore, ambulatory instruments­i.e. devices that are at least portable, or even handheld­are exclusively aimed, using low-cost components. Another objective is to obtain systems for which an industrial transposition to innovative instrumental products is feasible. The text is divided in two distinct parts, both strongly correlated. The first one deals with all the theoretical aspects of the method: camera model, passage from 2-D image to 3-D scene, image processing, calibration, accuracy analysis... The performances of the developed models are also studied, in terms of robustness and repeatability. The second part describes four innovative applications of our own: the diameter measurement of cylindrical and of spherical objects, dimensional measurements in the building sector and the determination of the road surface microtexture. The achieved accuracies are globally of about 1%. (FSA 3)--UCL, 2006