FR3068473B1 - Piece de reference pour test ultrasonore de materiaux composites et procede de realisation d'une telle piece - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une pièce de référence (300, 400) pour test ultrasonore de matériaux composites, constituée d'un bloc de matériau composite qui comprend une série de délaminages localisés (310, 410, 411) de tailles diverses répartis à des positions et à des profondeurs préétablies dans le bloc. L'invention concerne en outre un procédé de réalisation d'une pièce de référence qui comporte la réalisation d'une pièce ou bloc composite (300, 400), l'irradiation laser de la pièce sur deux faces opposées par des paires d'impulsions laser symétriques de génération de chocs laser, synchronisées ou décalées temporellement, chaque paire d'impulsions étant adaptée à induire à l'intérieur de la pièce des ondes de traction se cumulant en un point déterminé produisant un délaminage local.

Description

PIECE DE REFERENCE POUR TEST ULTRASONORE DE MATERIAUX COMPOSITES ET PROCEDE DE REALISATION D’UNE TELLE PIECE

Domaine de l'invention

La présente invention traite d’une pièce de référence pour test ultrasonore de matériaux composites utilisable dans le domaine du contrôle non destructif et plus particulièrement du contrôle qualité de pièces composites ainsi que son procédé de réalisation.

Arrière plan technologique

Le contrôle qualité est très important dans l'aéronautique et de nombreuses pièces telles que les pièces composites structurelles sont contrôlées à 100% par ultrasons, par exemple en immersion dans des piscines, ou au contact avec des sabots, respectivement de manière automatique au manuelle.

Ces inspections sont conduites avec des sondes ultrasons qui doivent être calibrées et dont les performances doivent être vérifiées avant chaque inspection. L’ensemble de la chaîne d’acquisition est ainsi validée.

Pour ce faire, des blocs de référence sont utilisés. Ces blocs de référence sont des pièces composites comportant des défauts artificiels pour simuler des défauts réels. Un problème technique est que ces défauts artificiels sont difficiles à réaliser dans les composites. En outre, les défauts simulés traditionnels ne sont pas totalement représentatifs de la réalité des défauts rencontrés dans les pièces composites.

Il y a actuellement deux procédés pour réaliser des défauts dans des pièces composites de référence.

Le premier consiste en l'introduction de trous à fond plat à différentes profondeurs et de différentes tailles. Le second consiste à mettre des inserts PTFE (polytétrafluoroéthylène) entre des plis composites.

Ces deux techniques ne sont pas totalement satisfaisantes.

Les trous à fond plats peuvent être difficiles à réaliser notamment du fait que les polymères renforcés de fibre carbone sont difficiles à usiner. En outre, les spécifications géométriques des trous doivent être respectées et on doit éviter tout délaminage induit par le perçage. Par ailleurs cette technique ne peut pas reproduire certains défauts comme les délaminages de plis de surface, premier ou second pli car la peau composite se brise lorsqu'elle est usinée. Enfin la géométrie des trous à fond plat est très différente de la géométrie d'un délaminage réel et peut en outre induire des artéfacts sur la réponse ultrasonique qui sont absents avec les pièces réelles.

Les inserts PTFE peuvent être représentatifs de petites inclusions dans les pièces composites mais ne correspondent clairement pas à des délaminages. Les délaminages sont des vides et la désadaptation d'impédance, paramètre important pour la réponse ultrasonore est totalement différente entre les inserts PTFE et les lacunes de délaminage. En outre, les inserts PTFE peuvent créer des déformations de surface et des bosses qui sont des problèmes différents des délaminages et les modifications de surface créées peuvent perturber la réponse ultrasonore.

En outre, les inserts PTFE sont malaisés à produire du fait qu'ils sont disposés entre les plis et qu'ils peuvent se déplacer durant le cycle de polymérisation ce qui rend leur position difficile à déterminer.

Dans un autre domaine, l'utilisation de chocs laser pour le contrôle non destructif est connu du document WO2015/087015 A2. Ce document traite d'un procédé de contrôle non destructif d'adhésion par chocs laser pour vérifier la résistance mécanique d'un assemblage. Le procédé comprend la génération d'un état de traction localisé dans un assemblage au moyen de chocs suivis d'une détente dans l’assemblage. Ceci permet de solliciter une interface choisie par un niveau de traction maîtrisé. La génération d'un état de traction est obtenue par initiation et propagation d'ondes de choc dans un assemblage multi- matériaux et/ou multicouches, ledit assemblage comprenant deux faces externes opposées et au moins une interface parallèle auxdites faces externes. Les ondes de choc sont générées, de manière simultanée ou de manière successive, sur chacune desdites faces opposées de l'assemblage selon un principe dit du double choc symétrique pour que l'état de traction généré soit localisé et contrôlé dans ledit assemblage.

Des procédés à chocs laser sont par ailleurs connus des documents: L. Berthe, M. Arrigoni, M. Boustie, J. P. Cuq-Lelandais, C. Broussillou, G. Fabre, M. Jeandin, V. Guipont, M. Nivard, "State-of-the-art laser adhesion test (LASAT)", publié dans "Nondestructive Testing and Evaluation", DOI:10.1080/10589759.2011.573550, 2011 ; R. Ecault, "Experimental and numerical investigations on the dynamic behaviour of aeronautic composites under laser shock - Optimization of a shock wave adhesion test for bonded composites", PhD, SIMMEA (Poitiers), December, 2013; M. Ghrib, L. Berthe, M. Rébillat, N. Mechbal, M. Guskov, R. Ecault, “Laser shock a novel way to generate calibrated délamination in composites: concept & first results”, présenté au huitième "Européen Workshop On Structural Health Monitoring (EWSHM 2016)", 5-8 Juillet 2016, Bilbao Espagne.

Brève description de l'invention

La présente invention concerne une application d'un dispositif choc laser à double choc symétrique adapté pour générer des défauts calibrés dans une pièce composite de référence par la réalisation de délaminages calibrés.

Les délaminages calibrés de l'invention sont utilisables comme références ou défauts unitaires et remplacent avantageusement les défauts de référence actuels car ils sont plus représentatifs de délaminages réels. De plus ils permettent de réaliser des défauts impossibles à produire par ailleurs, ce dans une grande variété de positions dans la pièce de référence. La position des délaminages calibrés de l'invention dans un bloc de référence est précisément connue et le procédé pour les réaliser est sans contact, rapide et moins onéreux que les techniques conventionnelles.

La présente invention a donc notamment pour but de réaliser des blocs de référence pourvus de défauts artificiels plus faciles à réaliser et plus représentatifs de défauts réels dans les blocs de référence que les trous à fond plat ou les inserts PTFE pour un coût inférieur. L'invention peut être utilisée par tous les industriels utilisant des blocs de référence pour les mesures comparatives de recherche de défauts dans les pièces composites.

Pour ce faire la présente invention propose une pièce de référence pour test ultrasonore de matériaux composites, constituée d'un bloc de matériau composite qui comprend une série de délaminages localisés de tailles diverses répartis à des positions et à des profondeurs préétablies dans le bloc. L'invention permet ainsi de réaliser des blocs de test comportant de réels délaminages et non des défauts artificiels, de réaliser des blocs avec une plus large gamme de défauts au niveau des interfaces entre les plis composites et selon des géométries variées.

Selon un mode de réalisation particulier, les délaminages comprennent des lacunes circulaires et/ou rectangulaires.

Les délaminages sont préférablement réalisés entre des plis du matériau par combinaison d'ondes de traction de chocs laser symétriques.

Selon un mode de réalisation particulier, le bloc est de forme générale parallélépipédique et comporte plusieurs sections étagées en épaisseur.

Selon un mode de réalisation alternatif, le bloc comporte au moins une partie courbe dans laquelle au moins un délaminage est réalisé. L'invention propose en outre un procédé de réalisation d'une pièce de référence selon l'invention qui comporte la réalisation d'une pièce ou bloc composite, l'irradiation laser de la pièce sur deux faces opposées par des paires d'impulsions laser symétriques de génération de chocs laser, synchronisées ou décalées temporellement, chaque paire d'impulsions étant adaptée à induire à l'intérieur de la pièce des ondes de traction se cumulant en un point déterminé produisant un délaminage local.

Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé comporte la réalisation de séries d'impulsions en rangées ou en cercles afin de générer des délaminage internes de dimensions et de formes variées.

Le décalage temporel entre les impulsions symétriques est avantageusement réglé pour réaliser des délaminages à différentes profondeurs à l'interface entre les plis du composite. La maîtrise de ce décalage permet la sélectivité de l’interface à délaminer, et présente un avantage majeur. L'invention permet en outre de réaliser des délaminages dans une pièce réelle qui devient alors une pièce de référence pour la série, selon le même procédé

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une vue schématique d'un diagramme temps/position avec représentation de la pression dans un composite ayant subi un choc sur une seule face conformément à un procédé de l'art antérieur; aux figures 2A et 2B: des vues schématiques de diagrammes temps/position de la propagation des ondes dans un composite dans le cas d'un double choc symétrique respectivement sans et avec retard entre les chocs; aux figures 3A et 3B: des images ultrason de défauts selon l'invention; en figure 4: des images ultrasons de défauts de l'art antérieur; en figure 5: un exemple de réalisation d'une première pièce de référence selon l'invention; en figure 6: un exemple de réalisation d’une seconde pièce de référence selon l'invention.

Description détaillée de modes de réalisation de l'invention

La figure 1 représente un diagramme temps T / position P d'un choc laser mono faisceau. Ce diagramme représente la propagation de l'onde de choc en fonction du temps au travers de l'épaisseur d'un matériau selon l’axe de génération du choc laser. Le diagramme étale selon le temps la position de l'onde de pression qui en réalité se déplace perpendiculairement à la face d’émission du l'onde par le choc, c'est à dire transversalement dans l'épaisseur de la pièce.

Comme représenté, l'onde de choc 2 se propage depuis la face avant ayant subi le choc 1 dans le matériau avec des caractéristiques propres au milieu et au niveau de pression. La pression P1 résultant du choc laser se propage dans l'épaisseur du composite. Lorsqu'elle atteint la face arrière, elle est réfléchie sous forme d’une onde de détente vers la face avant par désadaptation d'impédance (calculée comme le produit de la densité par la vitesse de choc), cette onde de détente croise l'onde de détente incidente initiée à la fin du chargement en pression de la face avant du matériau, ce qui crée une zone de traction 3 issue du croisement des ondes de détente. Le croisement des ondes de détente permet la création d'un état de traction T, dont le niveau dépend du niveau de pression initial et de l'Hugoniot des matériaux traversés. Cet état de traction va se propager de la face arrière vers la face avant.

Dans le cas d'un choc isolé généré par un impact laser de faible énergie, le niveau de traction ne dépasse généralement pas le seuil d'endommagement du matériau.

Cette charge en traction peut, pour des puissances plus élevées, conduire à un endommagement interne au matériau si la traction est suffisamment importante pour excéder les tolérances du matériau. Toutefois, dans cette configuration Fendroit où se concentrent les efforts et les dommages ainsi que leur importance ne sont pas maîtrisés.

Pour maîtriser l'emplacement des dommages la présente invention prévoit d'utiliser un procédé de choc laser particulier qui comporte deux tirs symétriques d'un côté et de l'autre de la pièce comme décrit dans le document WO2015/087015 A2. Les tirs sont effectués par deux lasers selon une direction normale à la pièce de part et d'autre de la pièce.

Le procédé est utilisé pour générer un délaminage maîtrisé dans un composite. En utilisant deux impulsions, une région étroite de traction est créée. Son intensité est significativement plus importante que l'intensité générée par les impulsions unitaires. En conséquence, il est possible de générer une surintensité parfaitement focalisée à l'endroit où le délaminage est souhaité en jouant sur les paramètres laser et notamment sur l'écart temporel entre les deux impulsions. En adaptant le délai entre les impulsions, la position de la charge en traction est ajustée et modifiée par exemple pour agir sur la profondeur de délaminage.

La figure 2A représente le cas où deux impulsions laser 11, 12 sont parfaitement synchronisées. Les ondes de pression positives Pt s'additionnent d'abord en 13 au milieu de l'épaisseur de la pièce. Après réflexion sur les faces opposées à l'émission du choc, les deux ondes de de traction (issues des croisements d’ondes de détente respectives), de pression -P1t se rejoignent et s'additionnent pour créer une traction en -2P-i en 14 vers le milieu de la pièce composite. Si les impulsions sont suffisamment puissantes, le cumul des ondes de traction peut créer un délaminage en ce point.

Selon la figure 2B un décalage temporel entre les deux impulsions 1Γ, 12' est produit et, comme dans le cas du document WO2015/087015 A2, selon le décalage des impulsions les ondes de détentes se superposent et créent une traction -2P-| à une profondeur 14' différente du milieu de la pièce ce qui décale en profondeur le point de délaminage.

Les figures 3A et 3B donne des exemples de réalisation pour lesquels une éprouvette de matériau polymère renforcé fibre de carbone de 2 mm d'épaisseur a été irradiée avec deux lasers agissant sur des faces opposées de l'éprouvette, de manière symétrique par rapport à l'éprouvette. Le matériau composite à délaminer est placé entre deux lentilles utilisées pour focaliser les faisceaux laser sur la surface du matériau. L'énergie du laser est ensuite réglée pour par rapport aux seuils de délaminage de sorte que l'onde de traction induite par un seul laser soit insuffisante pour délaminer le matériau et que les ondes cumulées des deux lasers réalisent le délaminage à l'intérieur de la pièce sans autre atteinte au matériau. Par exemple, on pourra utiliser un procédé de revêtement par choc laser pour protéger la surface du composite et permettre une interaction laser/matière (et donc un dépôt de pression) maîtrisée.

Pour élargir et façonner les zones de délaminage, des tirs successifs décalés les uns par rapport aux autres sont effectués. En outre, le délai entre les impulsions est ajusté pour causer le délaminage aux interfaces souhaités.

Les résultats de cette étude de faisabilité sont présentés en figure 3A et en figure 3B. Il s’agit de cartographies ultrasons permettant de révéler la présence de divers délaminage au sein des échantillons composites. La figure 3A correspond à une cartographie en temps de vol (TOF - Time of Flight) du 1er écho après l’écho d’entrée. Cette cartographie, utilisée en production, permet d’identifier les zones délaminées par l’observation d’un TOF plus court que celui du fond de la pièce.

La figure 3B représente la cartographie en amplitude de l’écho de fond. Sur celle-ci, les endommagements créés par choc laser sont lisible grâce à la perte d’amplitude observable. L’écho de fond est d’abord filtré pour mieux mettre en évidence les zones délaminées. Ensuite, un outil de détection automatique disponible sur le logiciel d’analyse NDT-Kit de la société Honesdom International (HK) Limited permet de dimensionner les défauts et d’en relever les principales caractéristiques.

Sur ces cartographies, deux catégories d’échantillons sont présentées. Ceux repérés 100 ayant subi un seul choc symétrique avec différents délais entre les impulsions sont encadrés d’un ligne pleine sous le repère 101 en figure 3A. Dans ce cas, les analyses ultrasons montrent que des délaminages à différentes profondeurs ont pu être créés. En encadré d’une ligne pointillé sous le repère 101a représente la réalisation de plusieurs choc symétriques, avec un balayage linéaire ou circulaire des points d’impact selon un délai fixe de 0ns entre les impulsions. Dans ce cas, les chocs laser symétrique ont permis d’étendre les délaminage à différentes formes, rectangulaires ou circulaires.

Les délaminages rectangulaires 103 sont représenté aux trois colonnes de droite de la cartographie des figures 3A et 3B et les délaminages circulaires 102 se retrouvent en partie basse centrale.

Que cela soit par mono-coup ou multi-coups (un coup étant un choc symétrique), il est possible de créer des délaminage allant de quelques millimètres de diamètre à quelques centimètre comme montré par ces résultats. Il n’existe pas de limite haute théorique, puisque en balayant l’ensemble de la pièce avec le bon recouvrement, l’ensemble de la surface de l’échantillon peut être délaminé.

La présente invention permet ainsi la réalisation de blocs de référence pourvus de délaminages calibrés en tant que défauts de référence.

La géométrie du bloc peut être proche de celle des blocs utilisés en production antérieurement avec des trous à fond plat. Notamment un bloc à épaisseurs étagées comme représenté en figure 5 est utile pour permettre le réglage d’une correction distance/amplitude (TCG time correction gain en anglais) du dispositif de mesure.

La profondeur des défauts 310 réalisés par le procédé de l'invention dans les diverses épaisseurs 301, 302, 303, 304, 305 du bloc peut être ajustée en jouant sur le délai entre les impulsions 11, 12 comme expliqué plus haut. L'étendue des défauts peut être réalisée à la demande en effectuant plusieurs tirs avec déplacement des spots laser pour réaliser des motifs tels que représentés à la figure 3A.

Pour les certifications de pièces de série ou en exploitation, certaines normes qualité demandent de pouvoir détecter des défauts de 6 mm de diamètre ou des défauts carrés de 6 mm de côté. Avec le procédé de l'invention la réalisation de défauts de délaminage carrés de 6 mm de côté ou ronds de 6mm de diamètre détectables par ultrasons est possible avec des tirs symétriques. Des défauts élargis peuvent être obtenus par tirs multiples. Ils sont représentés en figure 3A comme discuté ci-dessus.

En comparaison, les figures 4A et 4B représentent des cartographies ultrason de blocs de référence similaires au niveau de leur profil extérieur au bloc selon l'invention représenté en figure 5 et discuté plus haut. Ces blocs sont toutefois pourvus des défauts usinés de type trous à fond plat (TFP) 201 de l'art antérieur. A titre d’exemple, deux blocs différent sont présentés. Le premier selon la figure 4A est un bloc composite RTM, présentant un bruit de structure assez important et caractéristique de ce matériau. Le second selon la figure 4B est un bloc réalisé en IMA/M21, composite laminé pré-imprégné, avec plus de marche que le 1erbloc. Les acquisition ont été réalisées avec une sone linéaire de 64 éléments à 5 MHz. L’amplitude de l’écho d’entrée, de fond, et le TOF du sont présentés. Dans les deux cas, la signature ultrason des TFP peut être observée. Leur géométrie est contrainte par le mode d’usinage qui ne permet pas de faire varier leur forme à volonté, contrairement à l'invention utilisant les chocs laser. De plus, les figures de diffraction 202 en formed’anneau visible sur les cartographies en amplitude peuvent être influencées par la forme cylindrique débouchant du TFP, et donc ne pas correspondre à une signature réelle d’un délaminage.

Les figures représentent du haut vers le bas la cartographie en amplitude de l'écho d'entrée, la cartographie en amplitude de l'écho de fond et la cartographie en temps de vol de l'écho de fond.

De retour à l'invention, en utilisant la technique de l'invention il est possible de réaliser des défauts 410, 411 directement au sein d'une pièce réelle au lieu d'un bloc de référence. Un exemple est donné en figure 6 où les délaminages sont réalisés dans une pièce de production au plus près des endroits réellement susceptibles de comporter des défauts, par exemple un délaminage 411 au sein d'une partie courbe de la pièce ou un délaminage 410 au bord de la zone courbe.

Ceci est particulièrement intéressant pour réaliser une pièce de référence contenant les défauts susceptibles d'être présents dans des pièces de série et pour tester ces pièces produites en série. L'invention n'est pas limitée aux exemples représentés et notamment la pièce peut être de forme quelconque et les délaminages réalisés peuvent être plus ou moins étendus.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS

   1 - Pièce de référence (300, 400) pour test ultrasonore de matériaux composites, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un bloc de matériau composite qui comprend une série de délaminages localisés (310, 410, 411) de tailles diverses répartis à des positions et à des profondeurs préétablies dans le bloc.
2. 2 - Pièce de référence selon la revendication 1, pour laquelle les délaminages sont des délaminages circulaires (102) et/ou rectangulaires (103).
3. 3 - Pièce de référence selon la revendication 1 ou 2, pour laquelle les délaminages sont réalisés entre des plis du matériau par combinaison d'ondes de traction de chocs laser symétriques (11, 12, 1Γ, 12').
4. 4 - Pièce de référence selon la revendication 1, 2 ou 3, pour laquelle le bloc (300) est de forme générale parallélépipédique et comporte plusieurs sections étagées en épaisseur (301, 302, 303, 304, 305).
5. 5 - Pièce de référence selon la revendication 1, 2 ou 3, pour laquelfe le bloc (400) comporte au moins une partie courbe dans laquelle au moins un délaminage (411) est réalisé.
6. 6 - Procédé de réalisation d'une pièce de référence selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte la réalisation d'une pièce ou bloc composite (300, 400), l'irradiation laser de la pièce sur deux faces opposées par des paires d'impulsions laser (11, 12, 1Γ, 12') symétriques de génération de chocs laser, synchronisées (11, 12) ou décalées temporellement (11', 12'), chaque paire d'impulsions étant adaptée à induire à l'intérieur de la pièce des ondes de traction se cumulant en un point déterminé produisant un délaminage local.
7. 7 - Procédé de réalisation d'une pièce de référence selon la revendication 6, comportant la réalisation de séries d'impulsions en rangées ou en cercles délimitant des lacunes de délaminage internes à la pièce de dimensions et de formes variées.
8. 8 - Procédé de réalisation d'une pièce de référence selon la revendication 6 ou 7, pour lequel le décalage temporel entre les impulsions symétriques est réglé pour réaliser des délaminages aux interfaces entre des plis du composite à différentes profondeurs.