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Comment les ondes térahertz scrutent la production

Frédéric Monflier

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Comment les ondes térahertz scrutent la production

Le contrôle automatisé de 100 % de la production : c’est l’ambition de Teratonics. Son système associé à un bras robotique fonctionne selon le principe des impulsions THz. Les pièces, défilant sur le convoyeur, sont saisies une à une par le bras robotique puis analysées point par point.

© Frédéric Monflier

Mesure d’épaisseur, cartographie des défauts structurels par imagerie 3D... Les ondes térahertz s’appliquent peu à peu au contrôle non destructif. La filière française se développe.

Les ondes térahertz (THz) veulent faire valoir leurs atouts dans l’industrie. Situé par convention entre 100 GHz et 10 THz, le rayonnement THz s’insère entre les micro-ondes et l’infrarouge. S’il est bloqué par les métaux, il pénètre les matériaux électriquement isolants : plastiques, élastomères, céramiques, composites, textiles, bois… Il peut révéler leurs défauts structurels internes, avec une résolution spatiale d’une centaine de micromètres, mais aussi les écarts de densité ou les hétérogénéités, tels que des contaminants plastiques dans un autre plastique. Des subtilités qui échappent aux rayons X, beaucoup plus énergétiques. Non ionisant, le rayonnement THz se passe des précautions qui s’imposent avec les rayons X. Il se montre également moins contraignant que les ultrasons, car il opère sans contact avec la pièce à inspecter. D’autre part, des résonances spécifiques s’expriment dans cette gamme de fréquences et donnent accès aux arrangements moléculaires de la matière. De quoi détecter des transformations comme une polymérisation ou le vieillissement du matériau.

Adaptées aux composites

Grâce à ces propriétés remarquables, le contrôle par ondes THz peut se déployer partout où la qualité des matériaux est un enjeu crucial : dans l’automobile, l’aéronautique, l’aérospatial, l’énergie, la plasturgie, les semiconducteurs…  L’utilisation croissante de matériaux allégés, à l’instar des plastiques moussés et des composites, devrait favoriser son éclosion. « Le client peut même vérifier le taux d’orientation des fibres, leur densité, leur distribution, leur imprégnation... », détaille Thierry Antonini, le président de Terakalis.

C’est dans les années 1990 que les ondes THz, alors rangées dans l’infrarouge lointain, ont suscité le regain d’intérêt qui les a menées jusqu’au contrôle-qualité dans l’industrie. « La recherche en physique fondamentale et en astrophysique, en particulier sur le fond diffus cosmologique, a animé les travaux sur cette gamme de fréquence et sur de nouveaux dispositifs de détection, rappelle Frédéric Teppe, directeur de recherche au CNRS, au laboratoire Charles Coulomb à Montpellier. La physique du solide a suivi. » Des entreprises, parfois créées pour l’occasion, ont valorisé ces avancées technologiques auprès de l’industrie. Issu de Toshiba Researh Europe et adossé à l’université de Cambridge, l’anglais Teraview, fondé en 2001, fait partie des précurseurs.

Une dizaine de fabricants sur le marché

La filière française, plus tardive, a aussi bénéficié des travaux académiques. À l’image de Terakalis, cofondé par Frédéric Teppe en 2013. Le capteur qu’il avait mis au point avec son équipe, théorisé vingt ans plus tôt et reposant sur les ondes de plasma, ouvrait de nouvelles perspectives. « L’imagerie en temps réel à faible coût devenait envisageable, ce capteur n’étant pas refroidi », explique Thierry Antonini. Cinq années de R&D ont précédé le lancement d’une offre d’abord consacrée à l’imagerie 2D. « Très vite, on s’est rendu compte que la mesure d’épaisseur était une autre problématique des clients, poursuit Thierry Antonini, ce qui peut aussi servir à l’imagerie 3D. » La spectroscopie THz s’est ajoutée depuis au catalogue.

Trois systèmes d’imagerie THz produits en France

TK-Line de Terakalis

Le système TK-Line est conçu pour l’imagerie 3D temps réel, en ligne, et emploie une technique de type FMCW. Il s’installe au bout d’un bras robotique ou au-dessus d’un convoyeur. La source micro-ondes, continue, émet à 220 et 330 GHz, la pénétration du matériau étant privilégiée, avec une puissance de 10 mW. Le dispositif fonctionne par réflexion et le signal est recueilli par un capteur linéaire de 50 mm de largeur. Celui-ci peut être remplacé par un capteur plus large si besoin, le système étant modulaire.

Stripp Control de Teratonics

Ce système automatisé, associé à un bras robotique ou installé au-dessus d’un convoyeur, est conçu pour l’imagerie 3D avec résolution micrométrique. Il intègre notamment une source d’impulsions THz ultra-brèves, de l’ordre de la picoseconde, et un détecteur monocoup avec une fréquence d’acquisition de plusieurs milliers de points par seconde. S’ajoutent un laser de pompe et l’électronique de contrôle. Le scan (vitesse type de 500 cm2/30 s), la génération d’images et la détection des défauts sont automatisés.

Teracascade 1000 series de Lytid

Configurable en transmission ou en réflexion, ce système s’applique à de l’imagerie 2D, voire 3D par tomographie.[…]

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