Mesure sans contact de cavités non-visibles La tomographie évalue la quatrième dimension

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En associant analyse matière plus métrologie, la tomographie industrielle entre dans les mœurs. C’est le moyen idéal pour contrôler la géométrie des pièces notamment celles fabriquées en additif, quel que soient les matériaux. En effet, certains éléments comprenant des cavités ou des structures lattices réalisés avec ces nouvelles technologies doivent obligatoirement avoir recours à la tomographie.

Durant la première édition de « Measurement World » qui s’est tenue à Paris en septembre dernier, la mesure et le contrôle par tomographie aux rayons X de pièces issues des fabrications additives a fait l’objet d’une « table ronde » car le sujet intéresse de nombreux industriels quel que soit le secteur.

« Le point fort de la tomographie, c’est qu’elle est capable d’associer analyse matière et métrologie » souligne Vincent Barbier, Directeur du centre d’expertise en tomographie et métrologie au Cetim (Centre Technique des Industries Mécaniques). « Etant donné les géométries complexes des formes de pièces issues de l’additif, la tomographie est le moyen idéal pour faire à la fois de la mesure dimensionnelle et du contrôle intrinsèque de la qualité des composants issus de ces nouvelles fabrications » poursuit-il.

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Trop souvent considérée comme un moyen onéreux et long en tant que contrôle non destructif, la tomographie rayons X est sans doute, le meilleur moyen pour pénétrer l’intimité des matériaux en associant une analyse « santé matière », avec un contrôle qualité lié à la densitométrie d’un composant plus son contrôle géométrique. Cette capacité à évaluer la qualité d’une texture dans la profondeur de la matière constitue une véritable vérification de la quatrième dimension.

C’est par transparence que la tomographie décèle pratiquement tout, y compris ce qu’il est impossible de repérer en surface sur une pièce qu’elle soit en polymère, en matériau composite ou en métal.

« Effectuer des mesures dimensionnelles avec la tomographie est la meilleure solution pour les pièces issues des usinages traditionnels mais surtout avec les fabrications additives, notamment celles comprenant des cavités ou des structures lattices. En effet, les radiographies de pièces, après traitement informatique, permettent de reconstruire des volumes pour les considérer qualitativement et quantitativement » explique Vincent Barbier.

Les appareils de tomographie se caractérisent par la puissance de leurs sources et par les performances des capteurs ou imageurs associés. La pénétration puis la capture du rayonnement dépendent de la composition du matériau observé, de sa densité et de sa géométrie.

Les rayons X traversant la pièce sont canalisés par une matrice de détection. Le grossissement est lié à la distance entre pièce observée et image projetée. Si la pièce est proche de la source, on obtiendra un fort grossissement. Si au contraire, elle est à proximité des panneaux détecteurs, le grossissement sera moindre. Grossissements et qualité d’observation sont fonction de la performance des panneaux détecteurs placés derrière l’élément examiné.

Comme les rayons X sont dangereux, chaque machine est confinée dans une enceinte en plomb dont l’épaisseur est fonction de sa puissance d’émission. Un génie civil en béton armé sera en plus nécessaire avec des unités de forte énergie (450 à 600 kV).

Progiciels spéciaux

Dans tous les cas, pour la protection des opérateurs, la pièce est auscultée de façon totalement automatisée avec des déplacements pilotés selon un processus préprogrammé ou par des manipulations effectuées via un joystick. La visualisation du positionnement se déroule à travers une vitre au plomb ou à distance grâce à plusieurs caméras reliées avec des écrans de contrôle.

La génération des vues tridimensionnelles de tomographie nécessite l’acquisition d’une série d’images en deux dimensions (radiographies) pendant la rotation progressive de l’élément observé. Celui-ci, monté sur table tournante, pivote pas à pas sur 360° (avec des incréments souvent inférieurs à 1 degré par pas). Les acquisitions d’images radiographiques 2D sont combinées aux informations de position. Les données recueillies servent à reconstruire numériquement en 3D la pièce observée. Souvent, le plateau rotatif est lui-même monté sur table croisée (XY). La tomographie autorise l’observation de la coupe virtuelle d’une pièce quelque soit son emplacement dans l’espace.

La source est fixe ou scellée sur une table à deux ou trois axes. Suivant les configurations, les panneaux détecteurs ou imageurs sont eux-mêmes fixes ou mobiles. Certaines unités de mesure affichent jusqu’à sept axes indépendants.

Comme l’absorption des radiations dépend des matériaux, le niveau de gris d’une image va dépendre du coefficient d‘absorption de la matière traversée. Il sera différent pour l’acier, l’aluminium, les composites, le plastique, etc... L’acquisition des données est fonction de la dimension de la pièce, de l’ajustement du grossissement, et du réglage de la source (puissance, temps d’exposition, nombre de coupes).

Les progiciels incorporés aux tomographes ou des logiciels tiers proposés indépendamment des machines, évaluent les structures internes même complexes des pièces créées, par exemple, en additif. En bref, la tomographie accède facilement à tous les endroits impossibles à mesurer avec les moyens conventionnels (pied à coulisse, jauge de profondeur, palmer, Machine à Mesurer Tridimensionnelle).

Pour modéliser en 3D, on citera Mimics, logiciel qui optimise la détection des surfaces des géométries externes et internes ainsi que le logiciel Magics, qui exploite le modèle numérique 3D, tous deux édités par la société belge Matérialise. Un écran affiche l’image d’une tranche solide en visualisant ses contours internes et surfaces externes. Ces visualisations servent aux diagnostics, aux mesures dimensionnelles 2D et 3D, aux calculs de densité et aux expertises sur assemblages mécaniques.

Anomalies internes

Acquisitions rapides de scans, affichages intégrés et outils d’analyse avec possibilités de mesures à l’écran sont développés par les constructeurs de machines et fournisseurs de logiciels. Pour le contrôle, un nuage de points au format STL donnera naissance à une tomoscopie qui sera directement comparée, voire superposée à l’image théorique issue de la CAO. La mise en relief des écarts déterminera une pièce acceptable ou hors tolérances.

L’opérateur, s’il le souhaite, pourra décomposer l’objet étudié en une succession de coupes 2D. Cette technique favorise l’analyse des pièces ou assemblages pour lesquels différents niveaux de gris sont extraits de manière à séparer les éléments les uns des autres.

La tomographie permet, en plus, les mesures dimensionnelles, épaisseurs de parois, diamètres, rayons, distances et caractéristiques géométriques. A petite échelle, elle révèle distinctement les retassures, porosités, criques et anomalies internes avec une finesse proche du micron. Elle offre donc un aperçu très précis de ce que l’on peut définir comme une véritable quatrième dimension du contrôle, celle de la densité des éléments observés en déterminant exactement la cartographie des densités.

« Pour nos clients souvent du secteur aéronautique et spatial, nous évaluons de nombreuses pièces fabriquées en additif de type injecteurs ou distributeurs hydrauliques présentant une importante complexité en termes de géométries intérieures. Par ailleurs, nous contrôlons aussi des réservoirs ordinaires ou des réservoirs isolés afin de déterminer la qualité de l’isolation ainsi que des échangeurs thermiques. En outre, en ce qui concerne les fabrications additives, nous sommes amenés à contrôler des structures lattices avec des durées d’inspections très variables en fonction de la pièce de quelques minutes jusqu’à des dizaines d’heures » conclut Vincent Barbier. MSM

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