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Choisir son système de mesure 3D

ANTOINE CAPPELLE

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Choisir son système de mesure 3D

MAURICE BRUYÈRE RESPONSABLE QUALITÉ OPÉRATIONNELLE DU SERVICE PROCESS MÉTROLOGIE CHEZ PCI SCEMM

© D.R.

Pour s'assurer de la conformité d'une pièce après fabrication, reconstituer sa forme en trois dimensions permet de la comparer à son modèle. Une méthode polyvalente permet, grâce à des machines adaptées à des produits variés, de mesurer tout type d'objet. Pour bien choisir la technologie à adopter, évaluer la précision et la vitesse nécessaire ainsi que le type de mesure à effectuer est essentiel.

Mesurer une pièce peut être aussi simple qu'utiliser un pied à coulisse. Mais selon la précision nécessaire, les caractéristiques à mesurer, et le nombre de pièces à traiter, l'opération peut s'avérer plus complexe, tout comme les machines à utiliser. Les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) sont un outil polyvalent. Elles sont capables de mesurer tout type de pièces, des formes les plus simples aux plus complexes, et de toutes les tailles. « Du boîtier de montre à l'Airbus », résume Bruno Lefebvre, directeur général du fabricant de machines Mitutoyo.

Un point commun : la polyvalence

Par contact, optique ou laser, les MMT reconstituent la forme d'une pièce en trois dimensions afin d'évaluer sa conformité par comparaison avec un modèle numérique. Et ce avec une précision de l'ordre du dixième ou centième de micromètre. Elles peuvent également servir à la rétro-conception, pour reconstituer par exemple un moule à partir d'une pièce existante. Dimensions, contours, alésages, soudures : ces machines peuvent examiner de nombreux critères. Mais cette polyvalence se paye par une précision et une rapidité moindres que celles des outils plus spécialisés. « C'est un outil universel pour la mesure dimensionnelle, mais il ne peut pas tout faire aussi bien qu'une machine spécifique », explique Jean-Marc Pras, dirigeant de la société Eurotek, spécialisée dans la maintenance et l'étalonnage des MMT.

Ainsi, un profilomètre ou une machine d'écart de forme, destinée à mesurer spécifiquement la planéité ou la cylindricité d'une pièce, peuvent fournir un meilleur résultat dans leur champ d'application, qui peut coïncider avec celui des MMT. « Elles peuvent par exemple cohabiter à différents stades de la production », précise Florence Lapeyre, responsable marketing de la division métrologie chez Carl Zeiss, fabricant d'outils de métrologie. « Une machine d'écart de forme peut servir à vérifier la conformité des composants, et une MMT être utilisée pour étudier la pièce complète. » C'est une façon de gagner du temps, comme en témoigne Willy Mottin, responsable du pôle métrologie de Lisi Médical : « Avec l'évolution des normes, nous faisons de plus en plus de mesures 3D. Mais nous gardons des contrôles spécifiques, plus rapides, notamment pour vérifier les alésages. » L'entreprise utilise des machines Mitutoyo pour mesurer les prothèses de hanche qu'elle fabrique.

À chaque cas particulier peut répondre une machine. La gamme est vaste, et les technologies employées diverses. Une MMT est constituée de trois axes linéaires sur lesquels se déplace un palpeur, destiné à mesurer la pièce. Les mesures les plus courantes sont celles par contact. Une bille, située à l'extrémité d'un stylet, touche la pièce point par point, ou par « scanning », c'est-à-dire en effleurant la surface en continu, pour une meilleure précision. Le stylet envoie un signal lorsqu'il est en contact avec la pièce et détecte ainsi les limites ou les irrégularités, comme les bosses d'une surface. « C'est une technologie mature, qui évolue peu », précise Bruno Lefebvre.

Il existe une grande variété de stylets, adaptés aux différents types de pièces, en particulier selon leur forme et leurs dimensions. Ainsi, pour inspecter l'intérieur d'un trou, un stylet doit être suffisamment long. Ce qui fait perdre en précision et ne convient donc pas à l'examen d'une surface. Les billes, situées à l'extrémité, peuvent elles aussi être de forme et de matières variées. Les sphères conviennent mieux à la mesure des contours et diamètres et les disques sont destinés aux angles ou aux arêtes. Une bille en saphir est adaptée à des surfaces en plastique, mais risquerait de s'abîmer sur des matières plus abrasives comme la fonte, où le diamant est plus indiqué. Pour une même pièce, il est possible de combiner plusieurs stylets différents. Stockés sur un rack, ils peuvent être automatiquement échangés par la machine en cours de mesure.

Il existe également des moyens de mesure sans contact. Ils sont utiles pour mesurer de très grandes pièces ou des matières trop fragiles. Ces technologies peuvent utiliser une caméra, pour photographier la pièce, ou la réflexion d'un laser à sa surface. Moins précises que la mesure par contact, elles peuvent être complémentaires. « Sur une carte électronique, l'optique peut identifier les composants, les connexions et d'éventuels défauts de soudure », précise Florence Lapeyre. Quant au laser, il est utile pour scanner des formes inconnues. Enfin, la tomographie par rayons X représente un cas particulier. Moins précise, elle a l'avantage de donner une image de l'intérieur d'une pièce, pour diagnostiquer d'éventuels défauts dans la matière.

Selon les pièces, la technologie et la précision, le temps de mesure est variable, de quelques minutes à quelques heures. Ce paramètre est particulièrement important quand chaque pièce doit être contrôlée. Pour ce cas de figure, il existe des machines pour mesurer directement sur la ligne de production. À condition de ne pas avoir de pièces trop complexes.

Les logiciels pilotant les machines évoluent souvent

L'environnement des machines, en ligne, en atelier ou en salle de métrologie, impose des contraintes. La poussière, l'humidité ou les vibrations peuvent interférer avec les mesures. Ainsi, une machine peut être installée sur une dalle de béton spécifique, afin de l'isoler des vibrations. Mais les modèles actuels sont généralement déjà pourvus d'amortisseurs. La chaleur peut également être un problème : avec la dilatation des pièces, voire des stylets, elle peut fausser les mesures. Il existe pour cela des stylets résistants à la déformation thermique.

Si les machines en elles-mêmes évoluent peu aujourd'hui, les logiciels associés sont en revanche continuellement améliorés. « C'est là qu'il y a le plus de création », assure Jean-François Murcia, responsable installation chez le fabricant Hexagon Metrology. « On trouve de nouveaux modules mathématiques pour traiter les mesures, par exemple pour des statistiques. » Des programmes standards sont systématiquement fournis avec les machines, mais d'autres sont spécialisés, adaptés à des productions spécifiques, comme les engrenages ou des pièces d'automobiles. Ces logiciels, pilotant les mouvements de la machine, sont ainsi plus faciles à paramétrer car mieux adaptés aux formes à traiter. Ils peuvent également faire gagner du temps lors des mesures, comme avec l'option Flyscan, lancée cette année par Carl Zeiss, qui autorise le palpeur à survoler les zones vides au lieu de s'y arrêter. « Le logiciel est ce qui vieillit le plus vite », confirme Jean-Marc Pras. « Pour autant certaines entreprises ont gardé le même depuis 20 ans. Cela dépend de l'usage. »

La durée de vie des MMT peut aller jusqu'à plusieurs dizaines d'années. Le principal pour les garder fonctionnelles reste un bon entretien. La fréquence dépend de l'usage, mais une maintenance préventive annuelle, pour assurer la fluidité des mouvements et revoir l'étalonnage est souhaitable. L'électronique de commande peut être occasionnellement changée pour rajeunir la machine. L'exemple de Lisi Médical confirme la longévité de ces équipements : « Notre première MMT a plus de 20 ans », rappelle Willy Mottin.

LES QUATRE FAMILLES

1. PAR CONTACT MITUTOYO Crysta-Apex série 900 C'est la méthode la plus répandue et la plus précise. Un stylet parcourt la pièce point par point ou en continu pour en reconstituer la forme. 2. À CAMÉRA E STARLITE 300 La mesure est effectuée sans contact, en éclairant la pièce et en la photographiant sous plusieurs angles pour obtenir la forme en 3D. 3. À LASER HEXAGON CMS 108 La pièce est scannée au laser. Avantage : le balayage rapide d'un grand nombre de points. Utile pour les mesures à grande échelle. 4. PAR TOMOGRAPHIE ZEISS Métrotom 1500 Moins précise, cette méthode donne accès à une vue tridimensionnelle de l'intérieur, pour détecter d'éventuels défauts de matière.

QUATRE CRITÈRES DÉTERMINANTS

TYPE DE MESURE - Certaines pièces, trop fragiles, ne peuvent pas subir de mesure par contact, ce qui implique l'usage de systèmes optiques. VITESSE - Le temps à consacrer à la mesure de chaque pièce dépend de leur valeur ajoutée et de la quantité à traiter. PRÉCISON - La mesure tridimensionnelle n'est pas la méthode la plus précise, mais certaines machines atteignent le centième de micromètre. TAILLE - Il existe des machines et méthodes pour des produits de toutes les tailles, jusqu'à la mesure d'un avion entier.

Le budget à prévoir

- Le prix moyen des machines à mesurer se situe aux alentours de 70 000 à 80 000 euros, selon Eurotek. Il dépend notamment du type de capteurs, du mode de traitement des mesures par le logiciel associé et du coût du corps de la machine, lui-même fonction de la taille et de la nature des pièces à mesurer.

MAURICE BRUYÈRE RESPONSABLE QUALITÉ OPÉRATIONNELLE DU SERVICE PROCESS MÉTROLOGIE CHEZ PCI SCEMM « Des mesures automatisées »

« Nous fabriquons des machines d'usinage pour des pièces automobiles, comme des culasses ou des carters. Pour valider la conformité de ces machines, nous mesurons les caractéristiques géométriques et dimensionnelles des pièces qu'elles produisent à l'aide de deux machines de mesure tridimensionnelle (MMT). Ces mesures sont préparées à partir de la définition numérique des pièces, et entièrement automatisées. Ce qui permet de faire fonctionner les machines pendant la nuit, pour contrôler plusieurs pièces à la suite. Pour certaines, les mesures peuvent durer jusqu'à trois heures. Notre laboratoire de métrologie est équipé de deux MMT Carl Zeiss. La première a une dizaine d'années, et nous avons acheté la seconde il y a moins de deux ans. Celle-ci est plus petite et un peu moins précise. Mais elle effectue des mesures environ trois fois plus rapidement que la première. »

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