Nous suivre Industrie Techno

abonné

Focus

Diagnostiquer les composites, de la peau au cœur

La rédaction

Sujets relatifs :

, ,
Diagnostiquer les composites, de la peau au cœur

Observation, palpation, auscultation par radiographie, thermographie ou encore échographie par ultrasons… Les contrôles non destructifs permettent de détecter et d’évaluer la typologie des anomalies au sein des matériaux composites. Grâce à l’IA, les techniques sont de plus en plus complémentaires.

Au cœur des thématiques de l’industrie du futur, le contrôle non destructif (CND) regroupe l’ensemble des techniques et procédés capable de fournir des informations sur l’état de santé des matériaux, pièces et structures sans qu’il en résulte des altérations préjudiciables à leur utilisation ultérieure. Il peut intervenir à plusieurs niveaux dans le cycle de vie d’une pièce de sa conception jusqu’à sa maintenance.

S’agissant des matériaux composites, par nature hétérogènes et anisotropes, certains défauts peuvent se former dès l’élaboration (porosités, amas ou manque de résine, microfissures matricielles ou fibres désalignées). En service sous contraintes mécaniques, les endommagements les plus fréquents sont internes, multi-échelles et multisources, comme des fissurations matricielles, une décohésion fibre-matrice ou une rupture de fibres. Ces défauts sont invisibles de l’extérieur. D’autres anomalies surfaciques potentiellement néfastes pour l’usage durable de ces matériaux peuvent apparaître comme des impacts de projectiles, fissures « débouchantes », ou encore rayures, directement observables quoique pas toujours visibles à l’œil nu.

Contrôler l’état de santé de pièces en composites revêt plusieurs enjeux d’ordres économique et sécuritaire. En effet, les résultats d’un contrôle non destructif permettent de prendre des décisions majeures quant à la conformité des pièces (taux de rebut), à la requalification des structures à risque (sûreté des équipements) et à l’autorisation ou non de fonctionnement de machines et installations industrielles. Les conséquences d’un mauvais diagnostic peuvent être purement économiques, si la pièce rejetée est saine, mais plus graves encore si l’organe vital d’un équipement à risque défectueux est mis en service. Il est donc crucial de mettre en œuvre un procédé de contrôle bien adapté à la problématique posée et suffisamment précis et discriminant.

1. Principe

Observation et auscultation

Détecter une anomalie dans une pièce, c’est physiquement mettre en évidence une discontinuité de matière traduite, en son sein, par une variation locale d’une ou plusieurs propriétés physiques ou géométriques préjudiciables à son bon fonctionnement. Il existe un large éventail de méthodes CND, s’appuyant sur différents phénomènes physiques, dont les ondes acoustiques (ultrasons, émission acoustique…) et électromécaniques (thermographie infrarouge, radiographie à rayons X…).

Toutes les méthodes CND ont un principe de fonction­nement plus ou moins similaire. Il est fondé sur l’excitation du matériau par un processus énergétique (flux émis) et le recueil de sa réponse (flux réfléchi/rétrodiffusé/transmis) après interaction avec celui-ci (fig. 1). En effet, que l’auscultation soit cutanée, pour la détection des défauts de surface, ou au cœur du matériau, pour contrôler son intégrité, un flux énergétique incident de l’extérieur (chaleur, ultrasons…) sur la surface de la pièce est souvent nécessaire. Une partie du flux incident, éventuellement interagissant avec un défaut surfacique, est réfléchie du même côté que la source d’excitation.


Fig. 1

C’est le flux réfléchi, porteur d’informations sur l’état de santé de la peau du matériau. L’autre partie du faisceau incident pénètre dans le matériau et entre, le cas échéant, en interaction avec les défauts internes. Il donne naissance généralement à un flux rétrodiffusé du même côté de la source et à un autre flux – transmis quant à lui – qui traverse tout le volume de la pièce et sort du côté opposé à la source. Ces deux derniers flux contiennent des informations sur l’état de santé du cœur du matériau. Enfin, l’interprétation de ces flux d’interaction sortant du matériau permet la détection et la caractérisation des défauts (localisation, dimensions, orientation…).

On peut distinguer deux catégories d’examens non destructifs : surfaciques pour le diagnostic cutané des composites et volumiques pour l’auscultation du cœur du matériau. L’emploi de l’une ou de l’autre présente certains avantages et des limites, d’où l’importance de choisir les techniques appropriées pour l’application considérée.

2. Méthodes surfaciques

Diagnostic cutané

Les rugosités, les rayures ou encore les cloques, situées à la surface d’une pièce en composites, peuvent avoir une origine interne, en présence de porosités ou de fissures, ou externe, comme des impacts ou des agressions chimiques. Ces défauts varient en criticité, en fonction de l’usage et des contraintes de service. Ils peuvent nuire au bon fonctionnement de la pièce et réduire sa durée de vie.

Différentes techniques d’auscultation de l’état de surface d’un composite existent, dont la plus simple et la plus triviale est l’inspection visuelle. La deuxième méthode la plus utilisée industriellement est le ressuage (fig. 2 a), qui est par définition la résurgence d’un liquide ou d’un gaz d’une discontinuité ouverte dans laquelle il s’était préalablement introduit. Prolongement logique de l’inspection visuelle, cette méthode permet donc de détecter des défauts ouverts et débouchant à la surface de la pièce contrôlée sous forme d’indications colorées ou fluorescentes. Après nettoyage de la pièce, un liquide coloré (ou fluorescent), appelé « pénétrant », est appliqué sur la surface à contrôler pour pénétrer par capillarité à l’intérieur des défauts. Au bout de quelques minutes, l’excès de pénétrant est éliminé. Un produit révélateur est alors apposé pour faire « ressuer » le pénétrant contenu dans les défauts, à la suite de quoi leurs indications apparaissent en surface. L’observation de ces indications s’effectue, selon le type de pénétrant utilisé, soit sous une lumière blanche artificielle (ou à la lumière du jour), soit sous un rayonnement ultraviolet (UVA).


Fig . 2a

Cette méthode d’inspection est très largement utilisée dans le domaine des CND dans presque tous les secteurs industriels tant en fabrication qu’en maintenance. Elle est définie comme une méthode globale permettant de contrôler une pièce en une seule opération ou de traiter une grande série de petites pièces à la fois, à des coûts moins élevés et avec une très bonne fiabilité. En revanche, elle ne permet pas d’évaluer la profondeur des défauts et présente une incidence non négligeable sur la santé des opérateurs et sur l’environnement du fait de l’utilisation de produits toxiques et inflammables.

La thermographie infrarouge est un procédé alternatif, plus respectueux de l’environnement. La détection des défauts consiste ici à recueillir, via une caméra infrarouge, le rayonnement situé dans la bande spectrale [2-15 µm] émis par une pièce soit naturellement, à cause de son fonctionnement ou de son environnement, soit artificiellement en stimulant la surface de la pièce par une source de chaleur externe. On parle dans ce dernier cas de la thermographie infrarouge « active » (fig. 2 b). En fonction du matériau à analyser, de son épaisseur, de la nature et de la position en profondeur du défaut recherché, différents types d’excitations – transitoires ou continues – peuvent être utilisés afin d’échauffer la pièce à contrôler. En présence de défauts, l’analyse de la séquence d’images enregistrées permet de mettre en évidence des discontinuités dans la propagation de la chaleur. Il est alors possible de détecter et de dimensionner ces discontinuités correspondant aux défauts surfaciques ou subsurfaciques situés entre 1 et 2 mm de profondeur.


Fig. 2b

Cette méthode est de plus en plus utilisée dans différents secteurs industriels, notamment grâce à la baisse du prix des caméras infrarouges. Par ailleurs, elle présente l’avantage d’être sans contact, rapide, respectueuse de l’environnement et facilement automatisable pour des applications sur des chaînes de production. Néanmoins, elle comporte quelques limites, conduisant assez souvent à une surestimation de la taille des défauts détectés en raison d’un effet « loupe ».

3. Méthodes volumiques

Au cœur du matériau

Les défauts situés à l’intérieur d’une pièce en composites sont, en général, non seulement invisibles de l’extérieur mais aussi difficilement maîtrisables par les méthodes CND volumiques classiques. En effet, le diagnostic précis de ces pathologies intimes, fortement nuisibles à l’intégrité structurale du matériau et pouvant le[…]

Pour lire la totalité de cet article, ABONNEZ-VOUS

Déjà abonné ?

Mot de passe perdu

Pas encore abonné ?

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°1030

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2020 d'Industries & Technologies

Bienvenue !

Vous êtes désormais inscrits. Vous recevrez prochainement notre newsletter hebdomadaire Industrie & Technologies

Nous vous recommandons

Une hétérostructure semi-conductrice pour améliorer les piles à combustible en céramique

Une hétérostructure semi-conductrice pour améliorer les piles à combustible en céramique

Des chercheurs affiliés à plusieurs universités et instituts chinois ont trouvé un moyen pour diminuer la[…]

Comment McPhy veut industrialiser l’électrolyse alcaline pour produire de l'hydrogène décarboné à coût réduit

Comment McPhy veut industrialiser l’électrolyse alcaline pour produire de l'hydrogène décarboné à coût réduit

Modélisation moléculaire et code ultra rapide : Qubit pharmaceuticals met la physique quantique au service des labos pharma

Modélisation moléculaire et code ultra rapide : Qubit pharmaceuticals met la physique quantique au service des labos pharma

Pour bien commencer la semaine, la recette de Norsk e-fuel pour décarboner l’aviation

Pour bien commencer la semaine, la recette de Norsk e-fuel pour décarboner l’aviation

Plus d'articles